Part 01、前言

運算放大器的穩(wěn)定性設計是保證運放電路性能和可靠性的重要環(huán)節(jié)。若設計不當，可能會導致電路振蕩、不穩(wěn)定甚至功能失效。很多硬件工程師在設計運算放大器電路時，往往只關注運放的失調電壓，增益，共模抑制比這些參數(shù)，經常會忽略運算放大器的穩(wěn)定性設計，或者說不理解運算放大器的穩(wěn)定性設計到底是怎么一回事，更有甚者會覺得自己采集的是直流信號，又不是什么高頻交流信號，沒必要關注運算放大器的穩(wěn)定性設計，這些觀念都是不對的，今天我們就借助一個運放輸出產生振蕩問題的例子來說明運算放大器穩(wěn)定性設計是怎么一回事，以及如何解決這一問題。。

運放的穩(wěn)定性取決于運放的開環(huán)增益和反饋網絡的相互作用。振蕩通常與相位裕度和增益裕度不足有關，相位裕度也就是運放在閉環(huán)系統(tǒng)中的開環(huán)增益下降至 1（0dB）時的相位余量。常見的穩(wěn)定設計目標是相位裕度 ≥ 45°。而增益裕度是系統(tǒng)相位達到 -180°（失穩(wěn)條件）時的增益余量，通常要求增益裕度>6dB。

運放穩(wěn)定性問題的主要來源有負載效應，比如電容性負載（如長電纜、電容濾波器）可能降低相位裕度，引起振蕩?；蛘叻答伨W絡中反饋電阻和電容形成的頻率特性可能引入額外的極點或零點，影響穩(wěn)定性。運放帶寬不足或增益帶寬積（GBW）不夠可能導致閉環(huán)增益響應異常。以及PCB布線和元件寄生效應也可能引起高頻振蕩。

今天我們講解的例子是運放輸出放置電容后導致的運放穩(wěn)定性問題。

Part 02、實例講解

下圖是一個電壓跟隨器電路，輸出端有一個470nF的電容，輸入波形是一個周期2ms，占空比50%的方波，通過仿真發(fā)現(xiàn)輸出波形存在很嚴重的振蕩問題。

輸出波形振蕩：

原因分析：閉環(huán)反饋系統(tǒng)依賴于精確的反饋信號來調節(jié)輸出。如果反饋網絡引入了額外的延遲或相位偏移，則可能導致系統(tǒng)失穩(wěn)。運放輸出端是有等效電阻Rout，此電阻和外部470nF負載電容會引入一個額外的極點，從而改變系統(tǒng)的頻率特性，降低相位裕度。

電容性負載會在運放輸出端和地之間形成一個低通濾波器，輸出阻抗 Rout和電容CL構成RC網絡，產生一個附加極點。其截止頻率fp為：

該極點降低了系統(tǒng)的相位裕度。在高頻下，反饋信號的相位滯后可能接近或達到180°，與反相輸入引腳的信號疊加，形成正反饋，導致振蕩。

Part 03、如何解決？

方案1：串聯(lián)電阻在運放輸出端與負載電容之間串聯(lián)一個小電阻Rs，形成電阻-電容（RC），隔離運放的輸出阻抗Rout和負載電容CL的直接耦合，降低極點對相位裕度的影響。電阻的典型值為10Ω?100Ω，具體值需通過仿真和實驗確定。比如在運放輸出端串聯(lián)10Ω電阻，重新仿真，發(fā)現(xiàn)運放輸出端不再發(fā)生振蕩。

運放輸出端波形：

方案2：增加外部補償電容

在運放的反饋網絡中添加一個小電容Cf，用于補償高頻相位延遲，可以在反饋路徑引入一個零點，抵消輸出負載電容引入的極點，改善穩(wěn)定性。

方案3：選擇合適的運放

選擇具有大電容負載驅動能力的運放型號。例如：內部帶有補償機制的運放可以直接驅動電容性負載。

方案4：優(yōu)化反饋網絡設計

調整反饋電阻和電容的比例，優(yōu)化系統(tǒng)的極點與零點分布，確保足夠的相位裕度。

有問題歡迎在評論區(qū)留言交流哦！