运放参数的详细解释和分析-part17,从开环增益曲线谈到运放稳定性

         

        接part16还是先从开环增益曲线谈起,开环境曲线为什么在低频时为什么会有一个拐点呢?这个拐点就是运放的主极点。运放内部的电路中也会有多个极点或零点。这个点就是运放内部(三级也好,两级也罢)电路的主极点。如果是三级结构的运放,这个极点一般是由第二级的密勒电容来设定的,下图就是单极点运放的原理图。

        图中Cc就是设定主极点的电容。下图是一个两级他全差分运放的内部电路原理图,在图中找找Cc。它就在M5管子上,并且根据密勒效应放大。

        为什么要引用Cc来设置运放的主极点呢,而不把运放设计成开环增益是恒定值如130dB,那不更接近于理想运放嘛。最主要原因就是,引放这个主极点补偿,可以保证运放的稳定。并且为了稳定,设计工程师会尽量把主极点压低。最早的鼻祖级运放如uA709就是没有内部补偿的,所以需要外部补偿,否则极易产生震荡。

         当然这个极点会引入90度的相移,我们再看一上图中的相位曲线,在10MHz附近又有一个45度的相移呢。这只能用一个条件来解释,就是在这附近还有一个极点,只不过这个极点已经在单位增益带之外了,因此不会引起振荡。但它也会引入一个问题,使运放的相位裕度变低。再看图,我们发现在5.5MHz时,相移好像不只是90度,好像是110度左右。这就使得运放的相位裕度变为70度左右了。

        再深刨几句,分析运放的稳定性时总会分析运放的环路增益Aβ,总会听到这样的话当Aβ=-1时运放总产生震荡。也就是环路中相移达到180度。其中A就是开环增益,而β是放大电路的反馈系数,下图简单的说明了运放的反馈网络和β。

        从根本上讲,就是环路中有两个极点。不幸的是运放中A中已经有了一个极点,引入了90度 (甚至以上的)相移了。再引入一个90度的相移,就不是困难的了。当然这不是我们想看到的。

        环路增益Aβ可以写成,A除以在反馈系数的倒数,1/β其实也就是电路的闭环增益:

       上式还是不好分析,再把上式写成对数形式,这对我们就太有用了。

        这个式子在波特图上表示是什么呢,见下图

         咦,眼熟!!对,这张图来源于TI的资深工程师Tim Green写的关于运放稳定性的系列文章中的。图中画双箭头线的区域就是放大电路的环路增益。上面讲到环路增益中有两个极点就会产生振荡。这在上面的波特图中的表现是什么呢,就是运放的开环增益A与反馈系数的倒数1/β在波特图中相交时的合并速度大于等于40dB/十倍频程(上图中,只有运放的主极点,因此合并速度为20dB/十倍频程)。

        是什么原因引起了环路增益中产生了两个极点了,从Aβ中可以看出A已有一个极点了。无非是A再加一个极点,或者β再引入一个极点,就足以让电路不稳定了。这里作为抛砖引玉。

3 个回复

  • 什么要引用Cc来设置运放的主极点呢,而不把运放设计成开环增益是恒定值如130dB,那不更接近于理想运放嘛。最主要原因就是,引放这个主极点补偿,可以保证运放的稳定。并且为了稳定,设计工程师会尽量把主极点压低。

    Hi Wayne,这句话我不太能理解,加入极点,那就势必加入了不稳定啊,极点f的1/f和10f之间有-90度的相移,这不是更加不稳定吗?

    一般理论不都是加入零点补偿,更加稳定吗?

    求解答,多谢多谢

  • 回复 Robert Luo:

    您好,

    一点拙见:

    Cc是决定了运放的主几点,理想运放带宽是无穷大,实际都是带宽有限制的。

    这个主几点不会造成不稳定的,因为一个极点,引起的增益变化肯定是20dB/decade,肯定是稳定的。

    你所说的“一般理论不都是加入零点补偿,更加稳定吗?” 这个要根据你的应用电路来做补偿,稳定性补偿的方法有很多种,不同的情况下,选用的补偿方式也各有不同,最终的目标就是使得(Aol)-(beta分之一)能够以20dB/decade变化,即稳定。

  • 回复 Robert Luo:

    这是设计运放的基本理论,运放正是由了这个主极点才会稳定的。运放如果在高频时,还是非常高的开环增益,那是非常容易振荡的。其实鼻祖级的运放uA709就是没有内部极点补偿的,因此它极易振荡,只有在外部补偿的情况下才能用。