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運放里常說的“單位增益穩定”是什么意思?

技術中心

Technology

運放里常說的“單位增益穩定”是什么意思?

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/07/28
瀏覽量

當我們看到一個運放的手冊時我們有時會看到有寫明“單位增益穩定”,那沒有這樣寫明的,就會代表單位增益電路不穩定?其實這和主極點有直接的聯系,更進一步說是由運放的頻率補償決定的。如果你對這些內容還不是很了解,那希望這篇文章能夠幫助到你。

首先讓我們來看一下“wiki”針對于運放的“頻率補償”給出的解釋。

頻率補償

是在電子工程領域,頻率補償是一種用于運算放大器的技術,尤其是當運放使用負反饋的時候。它通常有兩個主要的目的:一個是避免無意產生的、會引起運放振蕩的正反饋,另一個是控制運放對階越響應的過沖和振鈴。

解釋

大多數運放都會使用負反饋,通過犧牲增益來獲得其它的特性,比如減少失真,改善噪聲或者降低對溫度等參數的變化帶來的影響。理想的情況下,運放頻率響應的相位特性應該是線性的,但是由于設備的限制使得其從物理實現上不可能得到。再具體來講,在運放內部(增益級)的電容對應形成的每一個極點,都會使輸出信號的相位滯后輸入相位90°。如果所有的這些相位滯后和達到360°,輸出信號會與輸入信號具有同樣的相位。在運放增益足夠大的情況下,將輸出信號的任何一部分反饋到輸入都會使得運放振蕩。這是因為反饋的信號會增強輸入信號,也就是說,這時候反饋不再是負反饋而是正反饋。

頻率補償被用來避免這種情況的發生。

 
圖(1)對于兩個極點的運放,多種頻率補償的階越響應圖。

參數“zeta”由補償電容決定,其值越小反應越快,但會有更多的振鈴和過沖。

頻率補償的作用如圖(1)所示,用來控制放大電路的階越響應。舉例來說,如果運放的輸入是一個階越的電壓,那理想的情況下也會得到一個階越輸出電壓。然而,由于運放的頻率響應,其輸出不會是理想的情況,而是會出現振鈴。通常幾個有優勢的數字指標被用來描述階越響應的適當性。一個是輸出的上升時間,理想的情況下它應該很短。第二個是輸出穩定下來所需要的時間,同樣也應該很短。過沖(超過穩定電壓的幅值)和建立時間(輸出來回波動直到穩定下來所需要的時間)被用來描述運放輸出穩定過程的成功與否。這些對于階越響應的多樣的測試指標需要最優化的方法,因為通常一個與加一個會沖突。

在運放中的使用

由于運放十分常見,同時其使用離不開反饋,因此后面將會是針對于運放的頻率補償的討論。

我們應該預料到,即使最簡單的運放的輸出,也會至少含有兩個極點。在一個特定的頻率上,運放輸出信號的相位相對于輸入信號的相位等于-180°,這是我們不希望看到的結果。在這個特定的頻率上,如果運放的增益大于或等于1,運放就會振蕩。這是因為(a)通過使用運放反相輸入端實現的反饋,增加了額外的-180°的相位滯后,這時使得輸出信號的全部相位滯后為-360°;(b)充足的增益以引起振蕩。

下面是一個更準確的表達:在運放的開環增益等于其閉環增益的某個頻率上,運放能夠振蕩的條件是:

1. 開環增益大于等于1;

2. 開環信號的相位和反饋網絡響應信號的相位之間的差值,使得閉環信號的輸出相位為-180°。從數學的角度有,ΦOL – ΦCLnet = −180°。

實踐

頻率補償是通過修改運放開環輸出的增益和相位特性,或者它的反饋網絡,或者兩者都有,來實現的。通過這樣的方式來避免引起振蕩的情況,而這通常通過在運放內部或外部使用阻容網絡來實現。

主極點補償

被廣泛使用的方法稱之為主極點補償,它是滯后補償的形式。在一個適當的開環響應的低頻率處放置一個極點,以降低運放的增益,使其增益在某一個頻率處或者剛好低于下一個較高頻率極點的位置為1(0 dB)。最低頻率處的極點被稱之為主極點,它主導著其它所有高頻率極點的作用。結果使得運放的開環輸出相位和反饋網絡響應的相位之間的差值不會低于-180°,同時運放的增益會大于等于1,這樣也就保證了運放的穩定性。

對于通用的運放來說,通過在提供運放大量增益的一級增加一個積分電容來實現主極點補償。這個電容在足夠低的頻率處形成了一個極點,從而在下一個高頻率極點的頻率或者剛好低于此頻率處將開環增益降低為1(0 dB)。這樣的結果是使得相位裕量約等于45°,同時也取決于臨近的高頻率的極點。對于大多數普通使用的反饋配置,這個裕量是充足的。另外對于運放的階越響應,主極點補償提供了對過沖和振鈴的控制,而相對于簡單的穩定性的需要來說這是一個更苛刻的需求。

主極點補償簡單有效,但這種傳統的方式有兩個缺點:

1.減少了運放的帶寬,也就是減少了在較高的頻率處,運放可獲得的開環增益。反過來,這也減少了在較高頻率片用于失真較正的可用的反饋量。

2.降低了運放的壓擺率。這個降低源于用有限的電流去驅動補償級對補償電容進行充電的時間。(補償電容越大,同樣電流的情況下所需要的充電時間越長,自然壓擺率也就越低。)這使得運放無法在輸出端精確的復制大幅度、快速變化的輸入信號。

通常,主極點補償的使用會引起極點分享的現象。結果是在沒有補償的情況下,運放的較低頻率的極點被“移動”到更低的頻率,成為主極點,未補償的較高頻率的運放極點“移動”到更高的頻率。

其它的方式

一些其它的補償方式有:超前補償,超前-滯后補償,前饋補償。

超前補償,主極點補償放置或者移動開環響應中的極點,而超前補償則在開環響應中放置一個極點,以取消一個存在的極點。

超前-滯后補償,在開環響應中同時放置一個零點和極點,極點通常被放置在開環增益小于1的頻率范圍內。

前饋補償,在高頻處,使用一個電容來旁路運放內部的一個級,因此消除掉由這些級產生的極點。

這三種方式用于更高的開環帶寬,同時保持運放的閉環穩定性。它們通常用于補償高增益、寬帶寬的運放。

附注

1. 在本文中,一個極點是由電阻和容抗的積分引起的在頻率響應的曲線上,其幅值降低3dB的點。最終,每一個極點都會引起90°的相位滯后,在這一點上,輸出信號的相位會滯后輸入信號相位90°。

2. 主極點在大約10倍高于主極點頻率和低于下一個較高頻極點的0.1倍高頻極點頻率之間,產生了大約-90°的相位偏移。接下來,下一個極點在其極點頻率處又增加了另外的-45°,在此處一共引入-135°的相位偏移(忽略更高頻率的極點)。

3. 在本文中,一個零點是由電阻和容抗的微分引起的在頻率響應的曲線上,其幅值增加3dB的點。最終,每一個零點都會引起90°的相位超前,在這一點上,輸出信號的相位會超前輸入信號相位90°。

以上內容翻譯整理自wiki: https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_compensation

上面的細節內容對于初學者可以先不必去深究,只知道其中比較重要的結論就可以,但為了整體性,我還是整體翻譯了過來。現在總結如下:

1、 為了改善運放的穩定性、過沖和振鈴等問題,需要進行頻率補償;

2、 主極點補償是針對通用、較低頻運放的一種頻率補償的方式;

3、 主極點補償使得運放的開環增益在主極點處開始以20dB的斜率下降,使其開環增益在某一個頻率處或者剛好低于下一個較高頻率極點的位置為1(0 dB);

4、 主極點補償使得運放的頻率特性在主極點處有-45°的相位滯后,在10倍于主極點頻率處大約有-90°的相位滯后,而再下一個較高頻率的極點處會有大約-135°的相位滯后;

5、 一般對于采用主極點補償的運放,在其開環增益為1(0 dB)的時候,都會有充足的相位裕量,比如45°左右,但也有可能會更低或者更高些;

6、 主極點補償會降低運放的帶寬和壓擺率。

有了前面的針對頻率補償、主極點補償的介紹,現在再來看運放的“單位增益穩定”就相對容易多了。我們從課本上熟知的運放振蕩的條件可能與上面表達方式上會有些出入,首先是運放的環路增益Aolβ大于等于1,然后由反饋環路引起的相位滯后為-180°對于電壓追隨電路來說,其反饋系數β為1,也就是深度負反饋,其環路增益的響應也就是運放開環增益的響應,其相位特性自然也和開環狀態下的相位特性一致。

如果主極點頻率補償足夠好,那就不會振蕩,甚至對于階越響應的過沖和振鈴也都不會有。如果此時由主極點補償決定的,在其開環增益為1(0 dB)處的相位裕量不夠,則會相應的引起過沖和振鈴。而如果再直接驅容性負載,則會由運放的輸出阻抗和容性負載決定的極點處再引入-45°的相位滯后,如果此極點在運放的帶寬內,則很有可能會引起振蕩。而如果根本就沒有補償,那直接使用單位增益或者增益再大一些的電路,則都有很大的可能會引起振蕩。

而對于有一定放大倍數的運放電路來說,β是小于1的,因此環路增益Aolβ在理想的情況下是將開環頻率響應的增益曲線整體往下移動了20logβ,而不會影響到相位的特性。從而運放的穩定性、過沖和振鈴都在一定程度上得到了改善,β越小,改善的程度越大。但實際上反饋網絡由于寄生電容的存在,會在高頻處對環路增益的相位產生一定的影響,在某些情況下需要引起注意。

最后再來看一份運放手冊關于增益/相位的頻率響應對比圖,在圖(2)中可以明顯的看出左邊的圖有頻率補償,相位裕量高達75°,所以OPA627的單位增益穩定,而右邊的圖則沒有進行頻率補償,也就OPA627對應的未補償的運放型號,當OPA637開環增益為0 dB的時候,相位滯后已經達到近-180°,在單位增益的情況下幾乎肯定會引起振蕩。

圖(2)增益/相位頻率響應對比圖

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