一种高速运算放大器电路自激振荡机理分析与改善方法

闫 稳，王 梅，张 桢

（中国航空计算技术研究所，陕西 西安710068）

0 引 言［1］

目前广泛应用的高速电压型集成运算放大器是一种开环高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路。例如利用集成运算放大器可完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运放的工作区域可以分为线性放大区和饱和非线性区两种。如果引入负反馈电路，则工作于线性区域，用于构成各种运算放大器电路。对于负反馈放大电路，反馈深度愈大，对放大电路性能改善就愈明显，但是，反馈深度过大将引起放大电路产生自激振荡。

本文在深入分析运算放大器电路深度负反馈机理的基础上，提出了一种在放大器后一级加滞后网络的方式，提高了自激频率，增大了放大器带宽。通过实验验证了该电路的正确性。

1 负反馈放大电路产生自激振荡的原理［2］

1.1 产生自激振荡的原因及条件

1.2 负反馈放大电路稳定性判断

自激振荡的判断方法为：首先是看相位条件，只有相位条件满足，才有可能自激。图1 所示为负反馈放大器幅频特性和相频特性曲线。

图1 中，fc为附加相移φ＝－180°时的频率，称为“临界频率”；f0为201g｜｜＝0时的频率，称为“剪切频率”。

如图1（a），当相位条件满足附加相移φ＝±180°时（即f＝fc时），若｜｜≥1 （即201g｜｜≥0），则电路不稳定，会产生自激。｜｜＞1 时起振，振荡稳可知：当1＋接近0时，｜｜＝∝。这说明即使无信号输入，也有输出波形，这就产生了自激振荡。

下面分析产生自激振荡的条件。

放大电路的放大倍数和相位偏移随频率而变化。当频率变高或变低时，输出信号和反馈信号将产生附加相移。若附加相移达到±180°，则反馈信号与输入信号同相，负反馈电路变成正反馈。反馈信号加强，当反馈信号大于净输入信号时，即使去掉输入信号也有信号输出，产生了自激振荡。即：幅后｜｜＝1 。

如图1 （b），当相位条件满足附加相移φ＝±180°时（即f＝fc时），若｜｜＜1 （即201g｜｜＜0），则电路稳定，不会产生自激。

图1 负反馈放大器幅频特性和相频特性曲线

由图1 可以看出，fc≤f0时，负反馈放大电路不稳定，会产生自激；fc＞f0时，负反馈放大电路稳定，不会自激。

衡量负反馈放大电路稳定程度的指标是“幅值裕度r”和“相位裕度φm”。一般在电路设计中要求：r＞6 dB，φm＞45°。

2 一种高速运算放大器自激振荡试验电路

2.1 实验电路

为了验证高速运算放大器自激过程，以高速运放AD713 组成的一种信号采集电路作为分析对象，试验电路如图2 所示。

图2 自激试验电路

2.2 AD713 特性分析［3］

图3 为厂家提供的AD713 开环特性曲线。

从图3 可知，该放大器带宽B＝4 MHz ，即201g｜˙A˙F｜＝0；当fc＝10 MHz 时，φ＝－180°，放大器相位裕度φm＝＋60 °。故负反馈放大电路在f0≤4 MHz开环工作时稳定，不会自激。

图3 AD713 开环增益、相位裕度与频率的关系图

2.3 AD713 接成深度负反馈时试验分析

图2 中的第一级接成具有深度反馈放大器—跟随器。其闭环增益｜｜＝1 。

（1）测量方法

用信号发生器，给由AD713 组成的电压跟随器电路输入各种频率的正弦波。用示波器同时监测AD713 的输入和输出，对比其相位的差异。

将AD713 同相输入端接信号发生器，用示波器表笔2 监测。示波器表笔1 串联一个5 kΩ的电阻后，接AD713 的输出端。示波器表笔如果不串电阻就接AD713 的输出端，其寄生电容会导致运放工作不稳定。

（2）测量结果

当其后级的多路选择器选通时，图4 是不同频率输入信号时的输出波形，测量结果如表1 所示。

表1 故障AD713 芯片的测量结果（后级的多路选择器选通）

图4 不同频率输入信号时的输出波形

由表1 可看出：当后级多路选择器选通时，由AD713 组成的电压跟随器的相频特性主要参数如下：

（1）附加相移φ＝－180°时的频率fc＝2.5 MHz ；

（2）201g｜˙A˙F｜＝0时的频率f0＝3.125 MHz 。

与图1（a）情况一致，fc≤f0负反馈放大电路不稳定，即f≥2.5 MHz 时，电路自激。

2.4 改善放大器自激振荡的方法

根据上节分析，欲改善放大器的自激性能，必须将自激振荡器频率向高频移动，增加放大器带宽范围。采取的方法是减少放大器后一级电路对相位的延时。试验中在后一级跟随器的输入端对地接一个470 pF的电容，自激频率f≥4 MHz 。如图5 所示。

图5 放大器改善电路

3 结 论

常用的集成运算放大器大多数内部已设置消除自激振荡的补偿网络，但是有时还需采用外部相伴补偿电路消除自激。外部相伴补偿电路有两种方式：一种是采用频率补偿的方式，主要是在基本电路或反馈网络中加入补偿元件来改变反馈放大电路的开环频率特性，从而破坏自激振荡的条件，满足稳定裕度；另一种方式是采用滞后补偿的方式，本文采用第二种方法，有效地改善了AD713 放大器组成跟随器的自激特性。

［1］谢嘉奎.电子线路（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［2］胡寿松.自动控制原理（第四版）［M］.北京：科学出版社，2001.

［3］孙宏杰.新一代通用型高速高阻运算放大器AD711 ～AD713［J ］.实用无线电，1996 ，（6）：15－17.