自激振荡现象

2023-11-20

理论上说,自激振荡是指当放大器加电后,还没有加载输入信号,输出端就出现了高频的类似于正弦波一样的波形。
实际中,还有另外一种情况,也属于自激振荡。当输入某些信号时,输出是正常的,一旦改变输入信号幅度或者频率到某些特定值,输出波形在原基础上会叠加更高频率的振荡信号。这种现象是经常出现的,但是用传统的自激振荡理论解释起来有些复杂。
根本原因
运放自激振荡的根本原因是,某种频率信号(一般源自于内部广谱噪声)在环路增益
大于 1 的情况下,其环路附加相移达到了 180 度,使得原本设计的负反馈变成了正反馈,
且在环路内不断增大。
造成运放电路振荡的客观原因主要有如下几条:

  1. 电路设计不正确,环路增益 AuoF 过大,也就是闭环增益 1/F 太小。有些运放不 支持太小的电压放大倍数,比如OP37,其标称最小增益为 5,如果用 OP37 设 计成跟随器,也就是 1 倍电压增益,那就一定会自激振荡的。因此,要设计跟随器,一定得选择单位增益稳定的运放。
  2. 输出直接驱动大电容。这是电路设计中较为忌讳的。要用运放驱动大电容,或者选用驱动电容能力较强的运放;或者在运放的输出端串联一个小隔离电阻,一般 在 22 欧姆~100欧姆之间,再驱动电容;或者采用专门电路。
  3. 引入了杂散电容。比如反馈线路与地之间间距过小,形成了较大的杂散电容;使用了杂散电容较大的直插式电阻;反馈线路背面使用了大面积的地层;输出端接 了不合适的电缆。

避免和消除
自激振荡像得病一样,重在防御。在设计阶段注意以上几条,通常可以避免自激振
荡。一旦遇到自激振荡,按以下步骤一般可以排除。

  1. 目测或者审查电路,观察是否有明显的违规现象。
  2. 尝试更换运算放大器。比如使用驱动电容能力较强的运放。
  3. 如断掉负载,自激振荡消失,可考虑在负载和运放输出之间串联一个小电阻,先从 100 欧姆试起,如振荡消失,一次改为 22欧姆。最终找到合适的隔离电阻。
  4. 在反馈电阻中并联一个小电容,是消振最为常见的做法。
  5. 重新设计电路板,将杂散电容大幅度降低。
  6. 尝试其他补偿方法,比如教科书中介绍的超前补偿、滞后补偿等等,都是在外部增
    加电容,强制改变闭环传函的零极点位置,以消除自激振荡的条件。一般情况下, 用前述 5 条即可解决问题。
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