一种运算放大器低温条件下自激振荡机理分析

梁广磊，张红旗，林 军

(中国空空导弹研究院 第8研究所，河南 洛阳 471000)

一种运算放大器低温条件下自激振荡机理分析

梁广磊，张红旗，林 军

(中国空空导弹研究院 第8研究所，河南 洛阳 471000)

在放大器CA3140构成的电压跟随器电路中，常温环境下工作正常，低温环境下出现自激振荡现象。文中通过建立数学模型和仿真分析得出，放大器负载中包含电容成分，容性负载的存在造成放大器相位裕度较差，只有41°，低温下放大器增益带宽积等参数的漂移，造成相位裕度进一步恶化为34.9°，产生了自激振荡现象。通过在放大器输出端增加串联电阻的方式，破坏了振荡条件，增大了放大器的相位裕度，低温下为67.8°。实验验证表明，该措施有效的解决了放大器自激振荡问题。

放大器；负反馈；自激振荡；相位裕度

运算放大器作为一种基本器件应用广泛，可以完成信号放大、信号运算、信号处理以及波形产生和变换[1]。放大器在应用过程中经常会遇到一些实际问题，对于负反馈电路，反馈深度较深时，存在没有信号输入的情况下会有信号输出现象，这种现象违背了放大器的输入输出关系，使放大器自激振荡，不能正常工作，必须设法予以消除[2]。在放大器CA3140构成的电压跟随器电路中，常温环境下电路工作正常，但在低温-45 ℃环境下，电路出现自激振荡，本文通过建立数学模型、仿真分析，找出放大器自激振荡的原因，并予以解决。

1 放大器自激振荡原理及消除方法

1.1 放大器自激振荡原理

放大器及反馈网络示意图如图1所示。

图1 反馈放大器示意图

图中，α为放大器的放大系数；β为反馈网络的反馈系数。放大器的闭环增益为

(1)

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电路。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，产生自激振荡[6]。即

(2)

式(2)中，φα为输入信号和输出信号之间的相位差；φβ为反馈信号和输出信号之间的相位差；n为整数。通常使用“相位裕度φm”来表示系统的稳定性，在实际设计中，φm典型下限为45°，常用60°[7]。

1.2 放大器自激振荡消除方法

消除放大器自激振荡方法一般有两种[8-9]：(1)一种是放大器内部消振。是将消振用的阻容元件制作在运放内部，不需要外接消振元件。目前集成运放中，大多数电路内部已用集成工艺制造了补偿电容，并保证在一般情况下运放都能稳定工作；(2)另一种是放大器外部消振。采用这种方法消振的器件一般设置了相位补偿引出端，将消振电容或阻容网络接在这些引出端上，有时也将消振元件接在输出端和地之间、两输出端之间或反馈网络上[10]。

外部消振通常采用两种方法：一是相位滞后补偿，其原理是补偿后产后一个滞后相移，使总相移<360°，破坏了振荡的相位条件，避免了自激振荡。如图2所示，在负反馈放大器中接入C或RC，以形成高频旁路或者高频负反馈，对高频信号进行相移，从而破坏振荡条件[11-12]。

图2 相位滞后补偿电路

二是相位的超前补偿，它将补偿电容加在信号传输通道上，如图3所示。经过补偿，产生一个超前的相位移，使总相移>360°，破坏了自激振荡条件，消除了振荡。

图3 相位超前补偿电路

2 一种电压跟随电路低温自激振荡分析

2.1 电路形式

运算放大器CA3140构成的电压跟随器如图4(a)所示，跟随器采用负反馈形式。该电路在常温下正常工作，在低温下，出现自激振荡情况，振荡波形如图4(b)所示。

图4 电压跟随器电路图及自激振荡波形

2.2 电压跟随器数学模型

考虑跟随器负载电阻、负载电容、输入等效电阻、输入等效电容、输出等效电阻等因素，电压跟随器电路模型可以等效为如图5所示。

图5 电压跟随器等效图

图中，Ri为放大器CA3140的输入等效电阻，器件手册规定Ri=1.5×1 012 Ω；Ci为放大器CA3140的输入等效电容，器件手册规定Ci=4 pF；R0为放大器CA3140的输出等效电阻，手册规定R0=60 Ω；RL为负载电阻，实际测试RL=1 MΩ；CL为负载电容，实际测试CL=1 000 pF；RF为反馈电阻，RF=1 kΩ；CF为反馈电容，CF=1 000 pF；Cs为输出隔直电容，Cs=1μF。

电压跟随器开环增益

(3)

其中，fb为主极点频率，也称开环带宽；α0为开环直流增益，为增益带宽积GBP/fb。

电压跟随器的反馈系数

(4)

由式(3)和式(4)可得跟随器环路增益

T=α×β

(5)

由式(5)可以求得环路幅频特性与相频特性曲线。

2.3 相位裕度仿真

根据数学模型，利用Matlab软件对跟随器幅频、相频特性进行仿真分析。CA3140器件手册中说明常温下器件增益带宽积GBP=4.5 MHz，输出等效电阻R0=60 Ω；低温下增益带宽积GBP=5.5 MHz、R0=72 Ω。仿真结果如图6所示。

如图6所示，常温下跟随器相位裕度φm=41.5°；低温下跟随器相位裕度为φm=34.9°。因此，常温下该电压跟随器相位裕度偏低；低温下随着增益带宽积GBP与R0参数漂移，放大器稳定性进一步恶化，导致其自激振荡。

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。CA3140方框图如图7所示[13-14]，其中C1为其内部相位补偿电容。

由图7可知，CA3140 包含一个做在芯片上的相位补偿电容，这对于单位增益电压跟随器组态来说，补偿是足够的[15]，但由于放大自身存在一定输出阻抗，与容性负载产生的阻容网络会产生新的极点，由它引起的附加相移会使本来稳定的电路自激振荡。

电压跟随器在负载电容值为0时，通过仿真计算，其相位裕度φn=89.6°，相位裕度较大，进一步说明负载电容的存在，使放大器相位裕度较差，本来稳定的电路产生自激振荡。

图6 环路幅频相频曲线

图7 CA3140方框图

2.4 改善放大器自激的方法

对于由于容性负载引起电路自激振荡，可以在放大器输出端串联一个小电阻Rs(Rs=50 Ω)，其中使之与负载电容形成阻容网络，对信号进行相移，从而破坏振荡条件[16]，改进后的电压跟随器等效电路如图8所示。

图8 改进后电压跟随器等效电路图

仿真结果如图9所示，其中，a为常温下结果；b为低温下结果。

图9 改进后环路幅频相频曲线

根据图9可知，改进后，常温下相位裕度为φm=69.6°，低温下相位裕度为φm=67.8°，由此可见，改进后电压跟随器相位裕度较大，电路稳定。改进设计后的电路在低温-45 ℃，保温2 h条件下，经测试，电路自激振荡现象消失，进一步证明改进措施有效，改进后电路不会产生自激振荡现象。

3 结束语

运算放大器CA3140芯片内部采取了相位补偿措施，在没有加入容性负载情况下，电路稳定，但由于容性负载的存在，放大器自身输出阻抗与负载电容产生的阻容网络会产生新的极点，由它引起的附加相移会使本来稳定的电路自激振荡。因此，在放大器电路设计中，负载电容是设计师考虑的重要因素。通过采取在电路中串入电阻，破坏振荡条件，解决了放大器自激振荡问题。另外，受到温度变化影响，放大器自身增益带宽积(GBP)、输出阻抗的变化同样会使放大器相位裕度减小，造成电路不稳定。设计师在电路设计时应充分考虑电路使用环境等因素，使电路在要求的环境条件下均能正常工作。

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Analysis of the Mechanism of Self-Excited Oscillation at Low Temperature of an Operation Amplifier

LIANG Guanglei,ZHANG Hongqi,LIN Jun

(No.8 Institute,China Airborne Missile Academy,Luoyang 471000,China )

A voltage follower consisting of CA3140,Which is a amplifier works well on normal temperature ,but appear self-excited oscillation under low temperature. The capacitive loud the amplifier bad phase margin,only 41°The resulted was proved through the establishment of mathematical models and simulation analysis. However,the amplifier appeared self-excited oscillation in low temperature which is because of badder phase margin,just 34.9°.The badder phase margin due to difting of the amplifier gam bandwidth under low temperature,adding a series resister on the output of the amplifier will increase the phase margin,67.8°on the low temperature which breaker the oscillation conditions. This is a effectively way to solve self-excited oscillation which approved through many exercisable.

operation amplifier;negative-feedback;self-excited oscillation;phase margin

TN722

A

1007-7820(2017)11-009-04

2016- 12- 11

总装引信预研基金(4149010305)

梁广磊(1982-)，男，工程师。研究方向：无线电引信设计。张红旗(1976-)，男，高级工程师。研究方向：无线电引信设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.003