模擬電子電路 負反饋5

1、6-5 6-5 反饋放大器穩(wěn)定性討論反饋放大器穩(wěn)定性討論自激振蕩產(chǎn)生的原因及條件自激振蕩產(chǎn)生的原因及條件穩(wěn)定工作條件穩(wěn)定工作條件利用波特圖判別穩(wěn)定性利用波特圖判別穩(wěn)定性自激振蕩消除方法自激振蕩消除方法相位補償相位補償一一. 自激振蕩的原因及條件自激振蕩的原因及條件1. 自激振蕩現(xiàn)象自激振蕩現(xiàn)象 在不加輸入信號的情況下，放大電路仍會產(chǎn)在不加輸入信號的情況下，放大電路仍會產(chǎn)生一定頻率的信號輸出。生一定頻率的信號輸出。+iL+u-+u放放大大器器-oR Xo基本放大基本放大A電路電路XidXf+Xi反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)F2. 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 在高頻區(qū)或低頻區(qū)產(chǎn)生的在高頻區(qū)或低頻區(qū)產(chǎn)生的附加相移附加相移

2、達到達到180 ，使，使中頻區(qū)的負反饋在高頻區(qū)或低頻區(qū)變成了正反饋，當(dāng)滿足了中頻區(qū)的負反饋在高頻區(qū)或低頻區(qū)變成了正反饋，當(dāng)滿足了一定的幅值條件時，便產(chǎn)生自激振蕩。一定的幅值條件時，便產(chǎn)生自激振蕩。FA和和3. 自激振蕩條件自激振蕩條件自激振蕩自激振蕩反饋深度反饋深度時，時， 01 FA即即1 FA為為環(huán)環(huán)路路增增益益）（ FA Xf 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) F 基本放大電路基本放大電路 A Xo 1 X 又又)()()()(fa FAFA得自激振蕩平衡條件得自激振蕩平衡條件1)()(kk FA 180)12()()(kfkan 幅值條件幅值條件相位條件相位條件（附加相移）（附加相移）FAAA 1F閉

3、環(huán)增益閉環(huán)增益FAoX對于負反饋電路對于負反饋電路高頻或低頻區(qū)，放大電路與高頻或低頻區(qū)，放大電路與反饋網(wǎng)絡(luò)，因電路反饋網(wǎng)絡(luò)，因電路 中的電容而產(chǎn)生附加相位移中的電容而產(chǎn)生附加相位移 A、 F。 180FA 當(dāng)當(dāng)時時負反饋變?yōu)檎答佖摲答佔優(yōu)檎答? ,無輸入信號，也有一定的無輸入信號，也有一定的信號輸出。信號輸出。 Xf 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) F 基本放大電路基本放大電路 A Xo 1 X 電路中存在電路中存在b. 放大電路內(nèi)部元器件的熱噪聲電壓放大電路內(nèi)部元器件的熱噪聲電壓a. 開啟電源時的瞬間沖擊電壓開啟電源時的瞬間沖擊電壓由于噪聲和沖擊電壓具有很寬的頻譜，其中必有某由于噪聲和沖擊電壓具有很寬

4、的頻譜，其中必有某一種頻率分量滿足自激振蕩的條件，所以即使無輸一種頻率分量滿足自激振蕩的條件，所以即使無輸入信號，也有一定的信號輸出。入信號，也有一定的信號輸出。(1) 這時如果這時如果| |AF|1，產(chǎn)生自激振蕩。產(chǎn)生自激振蕩。 Xf 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) F 基本放大電路基本放大電路 A Xo 1 X 輸出信號在不斷的減小輸出信號在不斷的減小, ,不會產(chǎn)生自激振蕩。不會產(chǎn)生自激振蕩。(2) 如果如果| |AF| 45要求要求要求要求O0 90 180 mGmf0fffcf0fcFA FAlg20保證可靠穩(wěn)定，留有余地。保證可靠穩(wěn)定，留有余地。例: 判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定020406060402000

5、09018027027018090m|0fcf0ffcf0f|(f0) |180|(f0) |180fcfcf0f0ffGm(a) 不穩(wěn)定(b) 穩(wěn)定. .F0. .F|20lg|AF|/dB20lg|A.20lg|AF|/dB20lg|A判斷時，先作出開環(huán)放大電路的頻率特性如果F是實數(shù)，則AF的相頻特性只取決于A，而幅頻特性只與A的幅頻特性相差一常數(shù)倍。O180| 當(dāng) 時，1FA0lg20FA如果或) 12(0lg201nFAFA或自激振蕩時01lg20lg20lg20lg20lg20FAFAFA電路便會發(fā)生振蕩。即：即：三三. 利用波特圖判別穩(wěn)定性利用波特圖判別穩(wěn)定性 (2) 作F1lg2

6、0水平線判斷穩(wěn)定性方法判斷穩(wěn)定性方法(1) 作出A的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波特圖(3) 判斷是否滿足相位裕度m 4501Hf2HfmAf)(dBA0Hf)1(1)1(1)1(1210HHHffffffmjjjAA 20lg2Hf21 .0Hf210Hfo1800f 0Hf010Hf01 .0Hf-180o2Hf3Hf3Hf31 .0Hf310HfmAo18000ff)(dBA1Hf110Hf11 .0Hf1HfF1O180| 0lg20 FAcf0lg20 FAO180| 0f20lg20lgo180 o90 舉例：舉例：設(shè)一基本放大器的增益為：設(shè)一基本放大器的增益為：)105)(1105j)(1

7、100.5j(1766u fjffA.4101.設(shè)反饋系數(shù)設(shè)反饋系數(shù) ，分析其穩(wěn)定性，分析其穩(wěn)定性10.F.三個極點頻率為：三個極點頻率為：fp1=0.5106Hz ， fp2=5106Hz ， fp3=5107Hz 。 其中其中fp1=0.5106Hz最低，它決定了整個基本放大器的最低，它決定了整個基本放大器的上限頻率，稱上限頻率，稱。(1) 作出作出A的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波特圖的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波特圖解：解：(2) 作作dB201lg20F的水平線的水平線Alg20 與與F1lg20(3)水平線水平線 相交于相交于E點。點。與與E點相對應(yīng)的附點相對應(yīng)的附加相位移為加相位移為 ，因此，放大

8、器是不因此，放大器是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定的。2250(dB)20uAlg20406080f50k500k5M50M500M0-45 -225-270f十倍頻程十倍頻程dB/20 十倍頻程十倍頻程dB/40 F1lg20E-1352.將反饋系數(shù)將反饋系數(shù) 改為改為 ，分析其穩(wěn)定性分析其穩(wěn)定性001. 0.F解：解： (1) 作作dB601lg20F的水平線的水平線F1lg20(2)水平線水平線 相交于相交于D。Alg20 與與與與D點相對應(yīng)的附加相點相對應(yīng)的附加相位移為位移為 ，因此，放，因此，放大器是穩(wěn)定的。且大器是穩(wěn)定的。且 m 135450(dB)20uAlg20406080f50k500k5M

9、50M500M0-45-180 -135-225-270f十倍頻程十倍頻程dB/20 十倍頻程十倍頻程dB/40 F1lg20D 反饋深度越深，反饋深度越深，越容易自激。越容易自激。F越大，水平線越大，水平線下移，越下移，越F1lg20容易自激容易自激F越大，表明越大，表明反饋深度越深反饋深度越深結(jié)論：結(jié)論：0(dB)20uAlg20406080f50k500k5M50M500M0-45-180 -135-225-270f十倍頻程十倍頻程dB/20 十倍頻程十倍頻程dB/40 F1lg20D基本放大電基本放大電 1點點 FA基本放大基本放大增增大大 FE相交點交在相交點交在 的的-20dB/十

10、倍頻程處，放大電路是穩(wěn)定的。十倍頻程處，放大電路是穩(wěn)定的。Alg20 在放大電路中加入在放大電路中加入RC相位補償網(wǎng)絡(luò)，使其具有相位補償網(wǎng)絡(luò)，使其具有足夠的幅度裕度足夠的幅度裕度Gm和相位裕度和相位裕度m。 相位補償?shù)乃枷耄合辔谎a償?shù)乃枷耄合辔谎a償方法相位補償方法滯后補償滯后補償超前補償超前補償四四. 自激振蕩消除方法自激振蕩消除方法 相位補償相位補償 簡單電容補償簡單電容補償 密勒電容補償密勒電容補償 q 滯后補償技術(shù)滯后補償技術(shù) 簡單電容補償簡單電容補償 降低降低 P1補償方法：將補償電容補償方法：將補償電容C 并接在集成運放產(chǎn)生第一個極點并接在集成運放產(chǎn)生第一個極點( (主極點主極點)

11、)角頻率的節(jié)點上，使角頻率的節(jié)點上，使 P1降低到降低到 d 。AdiRCC RC1P1)(1dCCR p2 p1A ( )/dB 0 0 p3AvdI d20lg(1/F)滯后補償技術(shù)思想滯后補償技術(shù)思想: 將電路的高頻轉(zhuǎn)折頻率的主頻點將電路的高頻轉(zhuǎn)折頻率的主頻點（主極點）（主極點）降低。降低。f0隨之隨之降低較多，降低較多，fc下降較少。電路振蕩的條件將得不到滿足，電路穩(wěn)定。下降較少。電路振蕩的條件將得不到滿足，電路穩(wěn)定。)()()()()(kHzfjkHzfjkHzfjjjjAjAI10011011110000111321 0.010.11101001000A/dB80604020020

12、4045|A(j)|(開環(huán)開環(huán))20dB/10倍頻程倍頻程13540dB/10倍頻程倍頻程180225穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定（閉環(huán)）（閉環(huán)）AfF1AfF1(不穩(wěn)定不穩(wěn)定)60dB/10倍頻程倍頻程f / kHza(a )R2R1Uo.(b)Ui.圖圖629用開環(huán)特性波特圖來判斷放大器的穩(wěn)定性用開環(huán)特性波特圖來判斷放大器的穩(wěn)定性 )()()()()(kHzfjkHzfjkHzfjjjjAjAI10011011110000111321 )()()()()(kHzfjkHzfjkHzfjjjjAjAI10011011110000111321 FjAjAjAf)()()( 11211RRRFjAf )

13、( )()( jAjAf 在低頻和中頻在低頻和中頻 區(qū)：區(qū)：，則則在在高高頻頻區(qū)區(qū)，若若1 FjA)( 0.010.11101001000A/dB806040200 20 40 45 20dB/10倍頻程 135 40dB/10倍頻程 225加電容補償后的開環(huán)特性0.001b ( 45)20dB/10倍頻程( 135 40dB/10倍頻程 60dB/10倍頻程( 225 60dB/10倍頻程( f1 )( f1 )( f2 )( f3 )(補償后的開環(huán)帶寬)(補償后的閉環(huán)帶寬)A1A2Ro1CRi2f / kHzAfF10.11(20dB) a)圖圖630電容滯后補償?shù)拈_環(huán)頻率特性波特圖電容滯

14、后補償?shù)拈_環(huán)頻率特性波特圖 -180ofcfo補償前補償前 fc fo 系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定fo0.010.11101001000A/dB806040200 20 40 45 20dB/10倍頻程 135 40dB/10倍頻程 225加電容補償后的開環(huán)特性0.001b ( 45)20dB/10倍頻程( 135 40dB/10倍頻程 60dB/10倍頻程( 225 60dB/10倍頻程( f1 )( f1 )( f2 )( f3 )(補償后的開環(huán)帶寬)(補償后的閉環(huán)帶寬)A1A2Ro1CRi2f / kHzAfF10.11(20dB) a)圖圖630電容滯后補償?shù)拈_環(huán)頻率特性波特圖電容滯后補償?shù)?/p>

15、開環(huán)頻率特性波特圖 -180ofcf=fo補償后補償后 fo fC 且穩(wěn)定裕度且穩(wěn)定裕度m=45o 系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定45o 密勒電容補償密勒電容補償 根據(jù)密勒定理，若將電容根據(jù)密勒定理，若將電容C直接跨接在某級放大電路直接跨接在某級放大電路的輸入端和輸出端，如圖（的輸入端和輸出端，如圖（a）所示）所示,則折合到輸入端的則折合到輸入端的等效電容等效電容C是是C的的 倍（倍（ 是該級放大電路的電壓放是該級放大電路的電壓放大倍數(shù)大倍數(shù) .簡單滯后電容補償缺點：簡單滯后電容補償缺點：補償電容補償電容C 數(shù)值較大（數(shù)值較大（ F F量級），集成較困難。量級），集成較困難。 ukAukA 設(shè)|A|103，

16、C=30pF,則，C=3104pF. 電容C應(yīng)跨接在RC時間常數(shù)最大最大的那級放大電路的輸入端和輸出端之間密勒電容補償優(yōu)點：密勒電容補償優(yōu)點：用較小的電容（用較小的電容（P PF F量級），即可達到補償目的。量級），即可達到補償目的。 CAC|)|1( q 超前補償技術(shù)超前補償技術(shù) 引入幻想零點引入幻想零點 補償思路補償思路：在在 P2P2附近，引入一個具有超前相移的零點，以抵消原來的滯后相移附近，引入一個具有超前相移的零點，以抵消原來的滯后相移，使得在不降低，使得在不降低 P1P1的前提下，拉長的前提下，拉長 P1P1與與 P2P2之間的間距之間的間距. .f fC C 隨之較多增大，隨之較

17、多增大，f fc c 增大較增大較少。電路振蕩的條件將得不到滿足，電路穩(wěn)定。少。電路振蕩的條件將得不到滿足，電路穩(wěn)定。 在反饋電阻在反饋電阻R Rf f上并接補償電容上并接補償電容C C 。補償方法：補償方法：-+A AR R1 1R Rf f+-V Vs s (s)(s)V Vo o(s)(s)R R2 2)j/()j ()j ()j (f11of CRRRVVFPZf11/j1/j1RRR則則其中其中CRfZ1CRR)/(11fPC C P2fZ1CR 利用零點角頻率利用零點角頻率 Z Z將將 P2P2抵消，可將斜率為抵消，可將斜率為“- -20dB/20dB/十倍頻十倍頻”的下降段，延長到的下降段，延長到 P3P3。假設(shè)運放為無零三極系統(tǒng)，且假設(shè)運放為無零三極系統(tǒng)，且 P1P1 P2 P2 P3P3選擇合適的選擇合適的C C ，使使P31fP)/(1CRR p2p2 p1p1A A ( ( )/dB)/dB 0 0 p3p3A Av vdIdI-20dB/-20dB/十倍頻十倍頻p p2p2 p1p1A A ( ( )/dB)/dB 0 0 p3p3A Av