负反馈放大电路的稳定性
自激振荡
所谓的自激振荡,是指放大器在没有输入信号的情况下,由于环路满足某些条件,其输出端能够自己产生某一确定频率的输出信号。一个放大电路如果发生自激振荡,则振荡输出信号将淹没输入信号,使得放大器失效。
自激振荡条件
一个运放组成的负反馈放大电路,当开环增益 Auo 环节和反馈网络本身的相移为 0°时,整个环路永远是负反馈。
但实际情况远非如此简单。负反馈环路由开环运放加反馈网络组成,这两部分中都可能存在附加的滞后相移环节,假设运放的附加相移为 φA,反馈网络的附加相移为 φF,那么情况就会复杂,模块的输出和输入之间,就不再能用简单的同相、反相来表示,也就无法准确回答到底是正反馈还是负反馈。
当环路整个的附加相移 φA+φF=-180°时,可以肯定,原本的负反馈,就会演变成正反馈。

要让负反馈电路产生自激振荡,除了相位条件外,还必须具备幅度条件,即整个环路增益必须大于 1,才能使得很微小的信号一旦在环路中产生,就会越来越大。
从实际运放的幅频、相频特性看自激振荡的可能性

以一个实际运放 ADA4899-1 为例,其开环幅频特性、相频特性如上图所示。
方法一:
在运放的相频特性曲线上找到𝜑𝐴=-180°的点,为 700MHz,观察此频率对应的幅频特性曲线,约为-3dB,即,对此频率来说,虽然满足相位条件,但是环路增益是小于 1 的,不满足幅度条件。
方法二:
在运放开环幅频特性曲线上,找到 0dB 点对应的频率为 310MHz,此时的相移为-123°。此相移和-180°的距离,称为相位裕度,为 57°。根据相移的规律可知,此点左侧均为满足幅度条件的频率,其相移绝对值均小于 123°,因此不可能产生自激振荡。
举例:

再看上图所示的电路:在0dB点的相移都超过了-180度,都是相当不稳定的,可以通过调节反馈系数,使整体曲线移动,达到合理值。
如左图,使f=1/5,曲线大概下降14dB
右图,调为f=1/12, 也就移动到图示的绿线所在位置
降低自激振荡
因此在电路设计时,注意以下几点:
运放负输入脚及其连接线的下方,绝对不要覆铜,或者覆铜后实施挖空操作。
运放负输入脚、输出脚及其连接线的同层周边,一定要与覆铜保持足够大的间距。我建议此间距要大于 20mil。理论上,这个间距大了,覆铜就会减小,但因为覆铜尺寸通常为厘米数量级,不会在乎这点减小。
环路中的电阻,尽量不要使用电位器。
输出大电容的问题
等效模型如下图所示:

相当于外界一阶低通电路。(低通看完了,回来补充)
接大电容时,通常会出现过冲或者自激振荡。(下图为:运放 ADA4899-1 的输出过冲现象)

解决大电容方法(必须使用大电容的情况):
使用裕度大的运放。
有些运放天生就能够驱动大电容负载。比如 AD817,OPA350 等。
隔离电阻

上图中的RISO就是隔离电阻,下图为隔离电阻分别为VF3=1、VF4 =22、和没有的情况(可以明显看到相位的变化)

频率失真
线性失真,也被称为频率失真
任何一个运放或者其它放大器,只有做到“输入—输出”关系是曲线,当输入为单一频率纯净正弦波时,输出就一定不是正弦波,而是除基波之外,还包含谐波。这种失真的本质原因是放大电路“输入—输出”关系不是过零直线,因此也称之为非线性失真。
如果一个放大电路,“输入—输出”关系是一个过零的直线,当输入为纯净正弦波时,输出也是同频的纯净正弦波,这个放大电路称为“无非线性失真放大电路”。反之,则称为“具有非线性失真放大电路”。
对于“无非线性失真放大电路”,仍会产生波形失真,此类失真称为“线性失真”。

如上图所示:当输入不是纯净正弦波,而是几个正弦波的叠加,放大电路对每个正弦波都不产生非线性失真,但是对每个正弦波的增益不同或者延时不同,造成输出波形变形,如图中红色曲线,这种失真叫频率失真,也称线性失真。
分类
1)单独的幅度失真:放大电路对不同频率的输入信号,具有不同的放大倍数。
2)单独的相位失真:放大电路对不同频率的输入信号,具有不同的延时。特别注意,不是“不同的相移”,而是“不同的延时”。
3)既有幅度失真,也有相位失真,称为综合失真。这是绝大多数情况。
对于我们常见的放大电路,理论上讲,绝不存在“无非线性失真放大电路”,因此如果输入波形为复合波,那么输出波形一定包含非线性失真,还包含线性失真,而线性失真中,一般既包含幅度失真,也包含相位失真。




