你是否遇到過這樣的情況：在KTV唱歌時(shí)，當(dāng)麥克風(fēng)位置不合適或者音量過大時(shí)，喇叭中會(huì)出現(xiàn)一種非常難聽的嘯叫，捂住麥克風(fēng)、趕緊降低功放音量、或者將麥克風(fēng)轉(zhuǎn)個(gè)方向，都是我們常用的解決方法。這個(gè)難聽的嘯叫，其實(shí)就是放大器的自激振蕩。

理論上說，自激振蕩是指當(dāng)放大器加電后，還沒有加載輸入信號(hào)，輸出端就出現(xiàn)了高頻的類似于正弦波一樣的波形。

實(shí)際中，還有另外一種情況，也屬于自激振蕩。當(dāng)輸入某些信號(hào)時(shí)，輸出是正常的，一旦改變輸入信號(hào)幅度或者頻率到某些特定值，輸出波形在原基礎(chǔ)上會(huì)疊加更高頻率的振蕩信號(hào)。

自激振蕩的條件有以下兩點(diǎn)：

1.假設(shè)運(yùn)放的附加相移為 φ A ，反饋網(wǎng)絡(luò)的附加相移為 φ F ，當(dāng)φ A +φ F =-180°，原本的負(fù)反饋，就會(huì)演變成正反饋。如下示意圖:

2.整個(gè)環(huán)路增益必須大于1，才能使得很微小的信號(hào)一旦在環(huán)路中產(chǎn)生，就會(huì)越來越大。

以運(yùn)放 ADA4899-1 為例，其開環(huán)幅頻特性、相頻特性下圖所示。為了分析簡(jiǎn)化，我們假設(shè)運(yùn)放組成了一個(gè)電壓跟隨器，即反饋系數(shù)F=1，φ F=0°。

以下兩種方法判定：

1.假定相移φ A=-180°，在圖中可以找到相頻特性對(duì)應(yīng)點(diǎn)為700MHz，在此頻率下對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線為-3dB，增益環(huán)路<1，故不滿足幅度條件，不會(huì)發(fā)生自激振蕩。

2.假定增益為1，即0dB，找到對(duì)應(yīng)頻率為310MHz，此時(shí)的相移為-123°其相移絕對(duì)值< 180°，因此不可能產(chǎn)生自激振蕩。此相移和-180°的差值，稱為相位裕度，為 57°。

這說明，ADA48990-1，在設(shè)計(jì)成跟隨器，且電路布線合乎規(guī)則時(shí)，是不會(huì)發(fā)生自激振蕩的。

增益裕度和相位裕度理解:

相位裕度定義：在運(yùn)放開環(huán)增益和開環(huán)相移圖中，當(dāng)運(yùn)放的開環(huán)增益為 1 時(shí)，開環(huán)相移值減去-180°得到的數(shù)值。

增益裕度定義：在運(yùn)放開環(huán)增益和開環(huán)相移圖中，當(dāng)運(yùn)放的開環(huán)相移為-180°時(shí)，增益dB值取負(fù)，或者是增益值的倒數(shù)。

理解：

1.相位裕度和增益裕度越大，說明放大器越容易穩(wěn)定；

2.相位裕度可以看作是系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)之前可以增加的相位變化，相位裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但同時(shí)時(shí)間響應(yīng)速度減慢了，因此必須要有一個(gè)比較合適的相位裕度。一般在45°左右比較合適。

3. 我們需要注意的是，所有運(yùn)放，在任何頻率下，都只存在滯后相移，即相移為負(fù)值。在極低頻率處，相移接近于 0 且小于 0，隨著頻率的上升，很快相移就進(jìn)入到穩(wěn)定的-90 度，然后走向-180 度甚至-270 度。

自激振蕩像得病一樣，重在防御。可從以下方面入手。

1）設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，盡量減小雜散電容，特別是CIN-。下圖進(jìn)行說明：

同一層的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間。比如某根信號(hào)線，和周邊的覆銅 GND 之間，以及和周邊的焊點(diǎn)之間有雜散電容C1；

不同層上下之間。比如元件層的線，和焊接層的大面積 GND 之間，如圖中 C2；

一般的，雜散電容可以達(dá)到 pF 數(shù)量級(jí)。這是不可忽視的。這些雜散電容和電路中的電阻，很容易形成低通網(wǎng)絡(luò)，有可能引起電路穩(wěn)定性下降。

電路舉例，如下圖：

設(shè)計(jì)一個(gè)同相比例器，做成實(shí)際電路板后，就出現(xiàn)了三個(gè)雜散電容：CIN+、CIN-、COUT

CIN+ 與信號(hào)源內(nèi)阻 R S （或者前級(jí)放大電路的輸出電阻）組成了一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)，但是這個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)不在反饋環(huán)內(nèi)，它只會(huì)影響不同頻率輸入信號(hào)到達(dá)放大電路輸入端的比率，進(jìn)而影響放大電路的帶寬，而不會(huì)引起任何穩(wěn)定性問題。

CIN-與電阻 R 2 和 R 1 的并聯(lián)，共同組成了一個(gè)環(huán)路內(nèi)的低通網(wǎng)絡(luò)。由于電阻 R 2 和 R 1 的并聯(lián)遠(yuǎn)大于運(yùn)放的輸出電阻，這導(dǎo)致非常小的 CIN- ，就可以產(chǎn)生巨大的作用。因此，在電路設(shè)計(jì)中降低運(yùn)放負(fù)輸入端電容，就非常關(guān)鍵。

COUT會(huì)在反饋環(huán)路中引入一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)，有可能引起環(huán)路的穩(wěn)定性下降。

注意敷銅：

覆銅的本質(zhì)目的是增大地線面積，進(jìn)而減小地線電阻和電感。但是覆銅操作也會(huì)帶來兩個(gè)問題：

第一，它與同層信號(hào)線之間就形成了很長很長的近距離間隙，也就是很大的電容C1。
第二，它與其他層的信號(hào)線形成了層間電容C 2 。這些雜散電容，都會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

如圖：

運(yùn)放負(fù)輸入腳及其連接線的下方，絕對(duì)不要覆銅，或者覆銅后實(shí)施挖空操作。

運(yùn)放負(fù)輸入腳、輸出腳及其連接線的同層周邊，一定要與覆銅保持足夠大的間距。建議此間距要大于 20mil。

2）選擇合適的增益和合適的增益電阻
對(duì)任何一個(gè)選定的運(yùn)放，在它能夠?qū)崿F(xiàn)的最小增益基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高閉環(huán)增益，可以有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

增益電阻盡量選擇小的，以降低 CIN-的作用。

因?yàn)镃IN-的旁路作用使放大器的高頻響應(yīng)變差，其頻帶的上限頻率約為：fH=1／(2πR2CIN-)，若R2的阻值較大，上限頻率嚴(yán)重下降，同時(shí)引入的滯后相位可能引起振蕩。理論上，如果要實(shí)現(xiàn) 10 倍同相增益，用10kΩ 對(duì) 1kΩ，就沒有用 1KΩ 對(duì) 100Ω 好。

3）盡量不要驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載，必須驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載的，使用裕度大的運(yùn)放。一般可在運(yùn)放輸出端串聯(lián)一個(gè)幾十歐姆的小電阻起隔離作用。

4 ) 最常見的做法是在反饋電阻中并聯(lián)一個(gè)小電容Cf。

Rin、Cf網(wǎng)絡(luò)與R2、CIN-網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成相位補(bǔ)償。Rin、Cf將引起輸出電壓相位超前，由于不能準(zhǔn)確知道CIN-的值，所以相位超前量與滯后量不可能得到完全補(bǔ)償，一般是采用可變電容Cf，用實(shí)驗(yàn)和調(diào)整Cf的方法使附加相移最小。若R2=10kΩ，Cf的典型值絲邊3～10pF。對(duì)于電壓跟隨器而言，其Cf值可以稍大一些。

--End--

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