運(yùn)放的環(huán)路穩(wěn)定性是指在負(fù)反饋控制下,運(yùn)放的輸出是否穩(wěn)定,即不會(huì)出現(xiàn)震蕩、失控等不穩(wěn)定的情況。
為了更好的理解運(yùn)放環(huán)路穩(wěn)定性,讓我們先來(lái)回顧下兩個(gè)最基本的概念,極點(diǎn)和零點(diǎn)。
首先對(duì)于極點(diǎn),下圖是給出的在波特圖中極點(diǎn)的所表征的意義,對(duì)于截止頻率(cutoff frequency)的定義是在隨著頻率變化輸出信號(hào)幅值降低為輸入信號(hào)的0.707倍的時(shí)候?qū)?yīng)的頻率點(diǎn),這個(gè)也是我們通常所說(shuō)的-3dB頻率點(diǎn)(20×lg0.707)。一個(gè)極點(diǎn)會(huì)引起-20dB/decade的滾降在其幅頻曲線上,且在對(duì)應(yīng)的相頻曲線上會(huì)引起一個(gè)-90°的相移。
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接下來(lái)是零點(diǎn),如下圖所示,給出了零點(diǎn)對(duì)應(yīng)在幅頻和相頻曲線上的表現(xiàn),一個(gè)零點(diǎn)引起波特圖上20dB/decade的增加,同時(shí)零點(diǎn)會(huì)引起+90°的相位移動(dòng)。
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由于現(xiàn)代運(yùn)算放大器的復(fù)雜性,使用一個(gè)直觀的模型對(duì)交流穩(wěn)定性分析時(shí)非常有幫助。在這個(gè)簡(jiǎn)化的模型中,應(yīng)用于輸入的差分輸入電壓被傳遞到放大器的輸出級(jí),在通過(guò)放大器的開(kāi)環(huán)增益和開(kāi)環(huán)輸出阻抗后到達(dá)輸出端。
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運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益Aol,對(duì)于理想運(yùn)放Aol是無(wú)窮大的,不受頻率限制。開(kāi)環(huán)輸出阻抗Zo是衡量運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)輸出級(jí)阻抗的一個(gè)重要參數(shù)。 Zo不應(yīng)與放大器的閉環(huán)輸出阻抗Zout混淆,后者取決于Zo,Aol和電路配置。實(shí)際上,對(duì)于新的軌到軌輸出級(jí),Zo可以在頻率上大幅變化,從而使穩(wěn)定性分析變得更加困難。
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如上圖所示,我們給出運(yùn)算放大器的環(huán)路穩(wěn)定性的模型,理解運(yùn)放的環(huán)路穩(wěn)定性,需要了解幾個(gè)概念:
1.相位裕度(phase margin):相位裕度是指在放大電路的增益等于1時(shí),相位差與180度的差值。相位裕度越大,系統(tǒng)越穩(wěn)定。
2.增益裕度(gain margin):增益裕度是指在相位差等于-180度時(shí),放大電路的增益與1的差值。增益裕度越大,系統(tǒng)越穩(wěn)定。
3.開(kāi)環(huán)增益(open-loop gain, Aol):開(kāi)環(huán)增益是指運(yùn)放在沒(méi)有負(fù)反饋的情況下的增益。
4.閉環(huán)增益(closed-loop gain, Acl):閉環(huán)增益是指運(yùn)放在有負(fù)反饋的情況下的增益。
5.反饋系數(shù)(feedback factor):輸出電壓反饋到輸入的比例,通常也被稱為beta系數(shù)。
通過(guò)了解這些概念,我們可以更好地理解運(yùn)放的環(huán)路穩(wěn)定性。如果運(yùn)放的相位裕度和增益裕度都很小,就容易出現(xiàn)震蕩和失控現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谶@種情況下,即使有微小的干擾,也可能引起輸出振蕩。因此,為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,我們需要選擇相位裕度和增益裕度較大的運(yùn)放。
此外,如果運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益太高,那么在有負(fù)反饋的情況下,閉環(huán)增益就會(huì)非常大,容易引起不穩(wěn)定的情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題,可以采用限制放大電路的帶寬等方法,以降低放大電路的增益,從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
總之,要系統(tǒng)地理解運(yùn)放的環(huán)路穩(wěn)定性,需要對(duì)運(yùn)放的基本特性和負(fù)反饋控制的原理有深入的了解,并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。
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