放大器电路设计学习心得

放大器电路学习心得 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 放大器电路设计学习心得 负反馈放大器电路学习心得 反馈深度 ??如图1所示的反相(左)和同相(右)电路中，反馈深度的表达式为F Zf 。 Zs?Zf 图1放大器同相与反相接法 虚短的条件 ?F?|?1是虚短成立的必要条件。所以如图2的电路中，由于F=|Aopen Rs ?0， Rs?Rf 因此虚短不成立，此时的放大器类似于比较器。从输入输出波形可以知道，放大器同相端的电位和反相端不相同，输出(蓝色)变为方波。 图2“虚短”成立条件测试 跟随器的反馈深度最大 任何放大电路都是反馈量越大，越容易发生振荡。而且，输出有—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电容连接时，振荡的可能性还会增加。跟随器的反馈深度最大，为全反馈，此时F?1，输出全部反馈到输入端。 图3反馈深度最大的跟随器电路 零点与极点—感性认识 问题的提出 电路中经常要对零极点进行补偿，想问，零点是由于前馈产生的吗,它产生后会对电路造成什么样的影响,是说如果在该频率下，信号通过这两条之路后可以互相抵消还是什么,,极点又是怎么产生的呢,是由于反馈吗,那极点对电路的影响又是什么,产生振荡还是什么,, 对于零点，个人认为零点的产生是与前馈有关，前馈路径与主信号通路的叠加以及相消产生了零点，当叠加时产生左半平面零点有助于稳定性，当相消时产生右半平面零点，这对系统的稳定性很不利，因此要抵消它。并不是所有的前馈都会产生零点，要看它前馈入径是否有并联的电阻。 零点的产生 零点可以由两条环路产生，原理是两条环路的滞后不同时，就形成了相对的前馈。也可以由电阻串电容产生，其实说到底都是相位超前的原因。零点在CMOS中往往是由于信号通路上的电容产生的，即信号到地的阻抗为0，在密勒补偿中，不只是将主极点向里推，将次极点向外推(增大了电容)，同时还产生了一个零点(与第三极点频率接近)。 极点的产生与影响 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 极点又是怎么产生的呢,是由于反馈吗,那极点对电路的影响又是什么,产生振荡还是什么,, 极点决定的是系统的自然响应频率，通常在电路中就是对地电容所看进去的R和对地电容C共同决定的。 极点的产生就是由于引入电容与电阻的并联，产生极点的频率就是1/RC。这个与反馈无关，虽然反馈可以产生极点，但是，并不是所有的极点都是反馈产生的。 极点从波特图上看两个作用:延时和降低增益，在反馈系统中作用就是降低反馈信号幅度以及反馈回去的时间，所以如果某个节点存在对地电容，必然会对电容充电，同时电容和前级输出电阻还存在分压，所以这个电容会产生极点～极点对OP放大器的增益是以,20 db/dec减小，相移是增加90度。 环路是否震荡，直接原因是环路的相位裕度是否>0。大于则系统稳定，小于,则系统震荡。 极点和环路没有关系，极点只是一个相位滞后，至于经常和环路被一起提到，是因为极点对环路的稳定性有决定性的影响。 其他人的经验 经验上来讲，放大器电路中高阻抗的节点都要注意，这点上即使电容很小，都会产生一个无法忽略的极点。零点一般就不那么直观了，通常如果两路out of phase的信号相交就会产生零点，但这不能解释所有的零点。 极点是由于结点和地之间有寄生电容造成的，零点是由于输入和—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 输出之间有寄生电容造成的，一般输入和输出之间的零极点考虑多一点，主要是因为输入输出有较大的电阻，造成了极点偏向原点。 一般的说，零点用于增强增益(幅度及相位)，极点用于减少增益(幅度及相位)，电路中零点极点一般是电容倒数的函数(如1/C)。当C变大时，比如对极点来说，会向原点方向变化，造成增益减少加快(幅度及相位), 一般运放电路的米勒效应电容就是这个原理，当增益迅速下降倒,3dB时，其他的零点极点都还没对系统增益起到啥作用(或作用很小，忽略了)，电路就算OK了,你就可以根据自己的需要补上带宽，多少多大的裕度就KO了。 自激振荡的来源与抑制 自激振荡的根本原因在于放大器存在附加相移。在低频时，附加相移主要决定于输入电容、输出电容及发射极旁路电容;高频时，主要决定于极间电容和接线分布电容。 消除自激的指导思想是:希望极点数少些，极点频率拉开些，-20dB/dec段长些。 图4单级阻容耦合放大器的频率特性 放大器自激的判断 ??的波特图查看:当相移????180时，若|AF??|?0)??|?1(即20lg|AF从AF，则电 ??|?1时起振，振荡稳定后|AF??|?1。 路不稳定，会产生自激，如图5(a)所示。|AF ??|?0)??|?1(即20lg|AF当相移????180时，若|AF，则电路稳—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 定，不会产生自激，如图5(b)所示。当然，还要考虑裕度。 图5负反馈放大器幅频特性和相频特性曲线 用示波器或电平表检测:将宽频(或选频)电平表或示波器接于放大器的输出端，观察放大器无输入信号时，其输出是否有信号。 用自制振荡表头检查:表头的制造如图6所示，C1的取值由被测放大器的上限工作频率而定:上限工作频率为10MHz左右时，选10~20pF为宜;上限工作频率小于10MHz时，选20~30pF为宜;当上限工作频率高于10MHz时，选5~10pF。 C1 电流表 图6自制振荡表头原理图 用“表头”检查放大器稳定与否的方法:使“表头”的探针触碰放大器的某处(如输出 级的集电极C)，同时人为地刺激放大器的另一处(如第一级的基极b )使放大器起振;然后去除刺激，观察电流表的指示是否自动回零。如指示为零，则放大器是稳定的，若指示不为零，则放大器不稳定。 放大器自激振荡的抑制方法 低频振荡是由于各级放大电路共用一个存在较大内阻的直流电源引起的，消除方法是在放大电路各级之间加上“退耦电路”。这种正反馈的形成原因:如图7所示，若直流电源V1存在着较大的内阻r0，当Q1的输入信号瞬时极性为正时，各级输入电压极性如图中标记所示。Ic1和Ic3是相同的，它们流过r0时就会产生瞬时极性为上—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 负下正的交流压降，该压降通过R1、C1及Q2的输入电阻反馈到第二级的输入端，显然此反馈信号与输入信号同相，故形成了寄生正反馈。 图7直流电源的内阻造成寄生正反馈 高频振荡主要是由于安装及布线不合理引起的(对此应从工艺方面着手，如元件布置紧凑、接线要短等;也可以在电路的合适部位找到抑制振荡的最灵敏点，在此处外接合适的电阻电容或单一电容，进行高频滤波。 消除的方法是在放大器中加入高频旁路电容，或加高频相校正网络，要求电容的数值比较小。以形成高频旁路或高频负反馈，对高频信号进行相移，从而破坏自激振荡的条件。 低频自激的抑制方法 低频振荡是由于各级放大电路共用一个直流电源引起的消除方法是在放大电路各级之 间加上“退耦电路”，使前后级之间的影响减小。如图8所示，R3一般为几百欧，C1选几十微法或更大。 图8退藕电路 高频校正方法一:利用电容元件 这是一种主极点校正的方法，这是一种采用米勒电容进行补偿的方法，如图9所示。在极点频率最低的一级接入校正电容C，使主极点频率降低，-20dB/dec段拉长，尽量获得单极点结构，以破坏幅度条件，使电路稳定。 ??|?f中的最小转折频率变得更此补偿电容C的引入能使放大器—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 的幅频特性20lg|AF 小，这样，幅频特性高频段下降得更快，如图10中特性C所示。 图9放大器引入电容补偿元件消除高频自激 图10引入补偿元件后幅频特性的变化情况 高频校正方法二:利用R、C组成宽带补偿 也叫RC校正(极点—零点校正)，用RC串联网络代替电容C，这一方面使原来的主极 点降低，另一方面引入了一个新的零点，此零点与原来第二个极点抵消，使极点数减少，而且极点也拉开了。如图10中特性RC所示，这种补偿可获得较宽的通频带。其电路如图11所示。 图11采用RC元件消除高频自激 高频校正方法三:反馈电容校正 实际上，这里采用的是米勒补偿方法，如图12所示。如果将电容C并联在相应放大电路中管子的b-c极之间，形成该级的电压并联负反馈，这种校正方法可用较小的电容达到消振目的。这实际上是以附加高频负反馈来降低集成运放在高频段的增益，以使附加相移虽达180?而变成正反馈时，其回路增益被降至小于1。这样，即使放大器在谐波干扰下出现正反馈振荡，因回路增益过小，振荡无法维持，电路也就稳定了。 图12反馈电容消除高频自激 高频校正方法四:利用反馈电容C 进行超前补偿 前面三种方法均属于滞后补偿(校正)，而超前补偿的指导思想是—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 设法将0dB点的相位向前移，破坏其相位条件。这种方法是在放大器反馈电阻中，并接适当容量的反馈电容C ，如图13所示。利用反馈电容来校正波特图的曲线形状，使相频特性??AF?f在频率f0附近向上提升，使|??AF|?180?，见图14所示，从而破坏产生自激振荡的相位条件，达到消除自激振荡的目的。 图13放大器中引入反馈电容进行超前补偿 图14放大器波特图的校正情况 ——————————————————————————————————————