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電容型負載對跟隨器的影響

運放是電路中使用很頻繁的元件,使用運放搭建的運放紛繁復雜。在這里僅以很簡單的跟隨器做一個分析。跟隨器電路在電路中將輸入輸出隔離,有阻抗匹配的作用,但跟隨器是一個負反饋的電路,用到了負反饋了就會有輸出振蕩的問題,需要考慮電路系統的穩定性。下圖分別使用LM318,,ua741,LM709三個運放搭建的跟隨器,在階躍信號的激勵下,在電阻性負載的情況下。輸出電壓波形差別很大。

造成這種輸出波形的不同,很顯然是系統的相位裕度(phase margin)不夠。在這里,不對傳遞函數和零極點等方面做進一步分析,主要通過仿真來觀看電容型負載對運放的負反饋電路造成的影響。在工程電路中,一般定義PM=60°,那么系統就會是穩定的。但也不是PM越大越好,由于PM可以看作是系統進入不穩定狀態之前可以增加的相位變化,PM越大,系統越穩定,但同時時間響應速度減慢了。所以在這個結論看來,VF3的PM是最大,VF1的PM最小。VF2的PM是比較理想的值,PM太大會過沖比較,振蕩周期長。PM太小,響應速度又太慢了。通過仿真也可以看出,確實是這樣的預期:

在仿真看來,LM318搭建的跟隨器電路的PM是最小的,輸出電壓波形也是過沖的,看起來也不是不可以接受的。但是這是電阻性負載,如果是電容型負載,這種振蕩現象會很明顯的,如下圖仿真。出現這種振蕩波形,基本上就是不能接受的。

出現這種現象,主要是由于運放內部是由很多晶體管組成,信號每經過一個晶體管,就會產生極點的。組成負反饋后,再加上電容型負載,就會造成PM不夠。下圖是運放內部的簡要示意圖,由于存在輸出阻抗Ro=100,在使用電容型負載的時候,Ro和CL就會形成一個極點,從而造成PM不夠的。

既然存在了這個輸出極點的問題,那么就要“斬斷”這個極點,常用的做法就是在反饋節點和CL串聯一個小電阻,將CL和反饋網絡之間的聯系斷開。通過仿真來看,確實增加了PM,輸出電壓波形也沒有振蕩的。

這種改進方式是簡單有效的。因此在很多實際電路中,無論是不是電容型負載,中間串聯一個電阻,避免PM過低的現象發生。即使不是電容型負載,畢竟在電路板中是存在寄生電容的,這個還是會存在干擾的;實際還可以進一步討論,運放內部的輸出阻抗Ro要是增大會怎么樣呢?可以在運放輸出端串聯一個電阻,加入反饋 ,用來模擬運放內部的輸出阻抗Ro。從仿真結果可以很清晰的看到,相位余量會更小,輸出電壓的波形會持續振蕩,根本不收斂。在這種情況下的電路基本不能使用的。造成這個現象就是由于Ro的增加,Ro和CL組成的極點頻率減小,讓相位余量降低很快。

對于這種電路,可以通過上文的方式改進。除此之外,不增加串聯電阻,還有其他方式調整,比如使用R2和C4組成濾波器,通過將輸出電壓信號的高頻分量前饋到放大器的反相輸入端,來抵消相位余量的損失,從而保持整個反饋環路的相位余量;這種電路的改進方式稍微復雜一些,但是改進相位余量的空間更多大,驅動的電容型負載也更大。

通過這個簡單的跟隨器電路說明,對于電容型負載,很多運放不是單位增益穩定,在負反饋電路的接法中,需要滿足最小閉環放大倍數的條件,系統才能穩定,比如下面AD847的datasheet中就明確指出,需要系統穩定,需要達到Gain=2的最小放大倍數。當然很多運放就是單位增益穩定,只是價格更高,在挑選運放的時候要注意;

這個電路雖然看起來很簡單,但由于運放使用的廣泛性,掌握后用起來就很方便的。比如推挽電路用起來很方便,但是存在交越失真,但是單獨使用運放的跟隨器電路驅動能力又不夠的問題。但是使用運放和推挽電路的結合,就能解決這個問題的。見下面的仿真數據。但是使用了運放和推挽電路的結合,系統的穩定性問題就出來了,相位余量考慮不夠的話,就會造成電路的工作不正常。

這種電路在電容型負載的時候,相位余量不夠,輸出振蕩。要是電路不能增加串聯電阻,就要考慮增加電容,使用前饋的方式增加PM。改善電路的方式很多,電路越復雜,改進起來就越麻煩,了解多一些的改進方式,也就多一些思路的。這個帖子是自己的一點總結,給大家做參考,也可以在下面回帖,舉出改善運放的穩定性的方法。

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