梁廣磊，張紅旗，林 軍

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 第8研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

一種運(yùn)算放大器低溫條件下自激振蕩機(jī)理分析

梁廣磊，張紅旗，林 軍

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 第8研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

在放大器CA3140構(gòu)成的電壓跟隨器電路中，常溫環(huán)境下工作正常，低溫環(huán)境下出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象。文中通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和仿真分析得出，放大器負(fù)載中包含電容成分，容性負(fù)載的存在造成放大器相位裕度較差，只有41°，低溫下放大器增益帶寬積等參數(shù)的漂移，造成相位裕度進(jìn)一步惡化為34.9°，產(chǎn)生了自激振蕩現(xiàn)象。通過(guò)在放大器輸出端增加串聯(lián)電阻的方式，破壞了振蕩條件，增大了放大器的相位裕度，低溫下為67.8°。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該措施有效的解決了放大器自激振蕩問(wèn)題。

放大器；負(fù)反饋；自激振蕩；相位裕度

運(yùn)算放大器作為一種基本器件應(yīng)用廣泛，可以完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理以及波形產(chǎn)生和變換[1]。放大器在應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一些實(shí)際問(wèn)題，對(duì)于負(fù)反饋電路，反饋深度較深時(shí)，存在沒(méi)有信號(hào)輸入的情況下會(huì)有信號(hào)輸出現(xiàn)象，這種現(xiàn)象違背了放大器的輸入輸出關(guān)系，使放大器自激振蕩，不能正常工作，必須設(shè)法予以消除[2]。在放大器CA3140構(gòu)成的電壓跟隨器電路中，常溫環(huán)境下電路工作正常，但在低溫-45 ℃環(huán)境下，電路出現(xiàn)自激振蕩，本文通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、仿真分析，找出放大器自激振蕩的原因，并予以解決。

1 放大器自激振蕩原理及消除方法

1.1 放大器自激振蕩原理

放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 反饋放大器示意圖

圖中，α為放大器的放大系數(shù)；β為反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。放大器的閉環(huán)增益為

(1)

放大電路的放大倍數(shù)和相位偏移隨頻率而變化，當(dāng)頻率變高或變低時(shí)，輸出信號(hào)和反饋信號(hào)將產(chǎn)生附加相移。若附加相移達(dá)到±180°，則反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，負(fù)反饋電路變成正反饋電路。當(dāng)反饋信號(hào)大于凈輸入信號(hào)時(shí)，即使去掉輸入信號(hào)也有信號(hào)輸出，產(chǎn)生自激振蕩[6]。即

(2)

式(2)中，φα為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的相位差；φβ為反饋信號(hào)和輸出信號(hào)之間的相位差；n為整數(shù)。通常使用“相位裕度φm”來(lái)表示系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，φm典型下限為45°，常用60°[7]。

1.2 放大器自激振蕩消除方法

消除放大器自激振蕩方法一般有兩種[8-9]：(1)一種是放大器內(nèi)部消振。是將消振用的阻容元件制作在運(yùn)放內(nèi)部，不需要外接消振元件。目前集成運(yùn)放中，大多數(shù)電路內(nèi)部已用集成工藝制造了補(bǔ)償電容，并保證在一般情況下運(yùn)放都能穩(wěn)定工作；(2)另一種是放大器外部消振。采用這種方法消振的器件一般設(shè)置了相位補(bǔ)償引出端，將消振電容或阻容網(wǎng)絡(luò)接在這些引出端上，有時(shí)也將消振元件接在輸出端和地之間、兩輸出端之間或反饋網(wǎng)絡(luò)上[10]。

外部消振通常采用兩種方法：一是相位滯后補(bǔ)償，其原理是補(bǔ)償后產(chǎn)后一個(gè)滯后相移，使總相移<360°，破壞了振蕩的相位條件，避免了自激振蕩。如圖2所示，在負(fù)反饋放大器中接入C或RC，以形成高頻旁路或者高頻負(fù)反饋，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行相移，從而破壞振蕩條件[11-12]。

圖2 相位滯后補(bǔ)償電路

二是相位的超前補(bǔ)償，它將補(bǔ)償電容加在信號(hào)傳輸通道上，如圖3所示。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，產(chǎn)生一個(gè)超前的相位移，使總相移>360°，破壞了自激振蕩條件，消除了振蕩。

圖3 相位超前補(bǔ)償電路

2 一種電壓跟隨電路低溫自激振蕩分析

2.1 電路形式

運(yùn)算放大器CA3140構(gòu)成的電壓跟隨器如圖4(a)所示，跟隨器采用負(fù)反饋形式。該電路在常溫下正常工作，在低溫下，出現(xiàn)自激振蕩情況，振蕩波形如圖4(b)所示。

圖4 電壓跟隨器電路圖及自激振蕩波形

2.2 電壓跟隨器數(shù)學(xué)模型

考慮跟隨器負(fù)載電阻、負(fù)載電容、輸入等效電阻、輸入等效電容、輸出等效電阻等因素，電壓跟隨器電路模型可以等效為如圖5所示。

圖5 電壓跟隨器等效圖

圖中，Ri為放大器CA3140的輸入等效電阻，器件手冊(cè)規(guī)定Ri=1.5×1 012 Ω；Ci為放大器CA3140的輸入等效電容，器件手冊(cè)規(guī)定Ci=4 pF；R0為放大器CA3140的輸出等效電阻，手冊(cè)規(guī)定R0=60 Ω；RL為負(fù)載電阻，實(shí)際測(cè)試RL=1 MΩ；CL為負(fù)載電容，實(shí)際測(cè)試CL=1 000 pF；RF為反饋電阻，RF=1 kΩ；CF為反饋電容，CF=1 000 pF；Cs為輸出隔直電容，Cs=1μF。

電壓跟隨器開(kāi)環(huán)增益

(3)

其中，fb為主極點(diǎn)頻率，也稱(chēng)開(kāi)環(huán)帶寬；α0為開(kāi)環(huán)直流增益，為增益帶寬積GBP/fb。

電壓跟隨器的反饋系數(shù)

(4)

由式(3)和式(4)可得跟隨器環(huán)路增益

T=α×β

(5)

由式(5)可以求得環(huán)路幅頻特性與相頻特性曲線。

2.3 相位裕度仿真

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，利用Matlab軟件對(duì)跟隨器幅頻、相頻特性進(jìn)行仿真分析。CA3140器件手冊(cè)中說(shuō)明常溫下器件增益帶寬積GBP=4.5 MHz，輸出等效電阻R0=60 Ω；低溫下增益帶寬積GBP=5.5 MHz、R0=72 Ω。仿真結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，常溫下跟隨器相位裕度φm=41.5°；低溫下跟隨器相位裕度為φm=34.9°。因此，常溫下該電壓跟隨器相位裕度偏低；低溫下隨著增益帶寬積GBP與R0參數(shù)漂移，放大器穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致其自激振蕩。

常用的集成運(yùn)算放大器大多數(shù)內(nèi)部已設(shè)置消除自激振蕩的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。CA3140方框圖如圖7所示[13-14]，其中C1為其內(nèi)部相位補(bǔ)償電容。

由圖7可知，CA3140 包含一個(gè)做在芯片上的相位補(bǔ)償電容，這對(duì)于單位增益電壓跟隨器組態(tài)來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償是足夠的[15]，但由于放大自身存在一定輸出阻抗，與容性負(fù)載產(chǎn)生的阻容網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生新的極點(diǎn)，由它引起的附加相移會(huì)使本來(lái)穩(wěn)定的電路自激振蕩。

電壓跟隨器在負(fù)載電容值為0時(shí)，通過(guò)仿真計(jì)算，其相位裕度φn=89.6°，相位裕度較大，進(jìn)一步說(shuō)明負(fù)載電容的存在，使放大器相位裕度較差，本來(lái)穩(wěn)定的電路產(chǎn)生自激振蕩。

圖6 環(huán)路幅頻相頻曲線

圖7 CA3140方框圖

2.4 改善放大器自激的方法

對(duì)于由于容性負(fù)載引起電路自激振蕩，可以在放大器輸出端串聯(lián)一個(gè)小電阻Rs(Rs=50 Ω)，其中使之與負(fù)載電容形成阻容網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相移，從而破壞振蕩條件[16]，改進(jìn)后的電壓跟隨器等效電路如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后電壓跟隨器等效電路圖

仿真結(jié)果如圖9所示，其中，a為常溫下結(jié)果；b為低溫下結(jié)果。

圖9 改進(jìn)后環(huán)路幅頻相頻曲線

根據(jù)圖9可知，改進(jìn)后，常溫下相位裕度為φm=69.6°，低溫下相位裕度為φm=67.8°，由此可見(jiàn)，改進(jìn)后電壓跟隨器相位裕度較大，電路穩(wěn)定。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的電路在低溫-45 ℃，保溫2 h條件下，經(jīng)測(cè)試，電路自激振蕩現(xiàn)象消失，進(jìn)一步證明改進(jìn)措施有效，改進(jìn)后電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)算放大器CA3140芯片內(nèi)部采取了相位補(bǔ)償措施，在沒(méi)有加入容性負(fù)載情況下，電路穩(wěn)定，但由于容性負(fù)載的存在，放大器自身輸出阻抗與負(fù)載電容產(chǎn)生的阻容網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生新的極點(diǎn)，由它引起的附加相移會(huì)使本來(lái)穩(wěn)定的電路自激振蕩。因此，在放大器電路設(shè)計(jì)中，負(fù)載電容是設(shè)計(jì)師考慮的重要因素。通過(guò)采取在電路中串入電阻，破壞振蕩條件，解決了放大器自激振蕩問(wèn)題。另外，受到溫度變化影響，放大器自身增益帶寬積(GBP)、輸出阻抗的變化同樣會(huì)使放大器相位裕度減小，造成電路不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)師在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮電路使用環(huán)境等因素，使電路在要求的環(huán)境條件下均能正常工作。

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Analysis of the Mechanism of Self-Excited Oscillation at Low Temperature of an Operation Amplifier

LIANG Guanglei,ZHANG Hongqi,LIN Jun

(No.8 Institute,China Airborne Missile Academy,Luoyang 471000,China )

A voltage follower consisting of CA3140,Which is a amplifier works well on normal temperature ,but appear self-excited oscillation under low temperature. The capacitive loud the amplifier bad phase margin,only 41°The resulted was proved through the establishment of mathematical models and simulation analysis. However,the amplifier appeared self-excited oscillation in low temperature which is because of badder phase margin,just 34.9°.The badder phase margin due to difting of the amplifier gam bandwidth under low temperature,adding a series resister on the output of the amplifier will increase the phase margin,67.8°on the low temperature which breaker the oscillation conditions. This is a effectively way to solve self-excited oscillation which approved through many exercisable.

operation amplifier;negative-feedback;self-excited oscillation;phase margin

TN722

A

1007-7820(2017)11-009-04

2016- 12- 11

總裝引信預(yù)研基金(4149010305)

梁廣磊(1982-)，男，工程師。研究方向：無(wú)線電引信設(shè)計(jì)。張紅旗(1976-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：無(wú)線電引信設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.003