LM224AD跟随器输出振荡的原因分析

在用LM224AD（TI公司）构建单位负反馈（跟随器），为电流传感器提供1.8V基准电压源（见图1）的实际使用中出现了运输放大器输出振荡的现象。我做了一些简单的分析，还有很多疑问，请TI的各位大师不吝赐教。

 图1 运放输出1.8V电压

图2 电流传感器内部示意图

一、电路描述

电流传感器内部集成了2.5V基准电压源，用户可以通过外接基准电压源。考虑到DSP采样量程，选择了1.8V作为基准电压源。电路中通过电阻分压形成1.8V，接入运算放大器的正相输入端，构建单位负反馈电路，期望运放能输出稳定的1.8V电压。

电流传感器内部示意图如图2（自己打开了电流传感器，内部电路和其示意图一致）。图1中的VG1为电流传感器内部2.5V上面叠加的纹波，在后面电路分析中需要用上，（我自己的理解，它可能是导致运放输出振荡的根源）。电路中R1（阻值1K）为运放输出端接的下拉电阻，接了1K的下拉就能稳定的输出1.8V（如图3），如果不接R1或者R1的阻值过大都会振荡（如图4）。

图3 接了1K的下拉电阻，运放输出稳定的1.8V

图4 不接下拉电阻运放输出波形出现振荡

我最开始的疑问就是：为什么不加下拉电阻R1，LM224输出端1脚会振荡？

尽管通过下拉电阻解决了这个问题，电路基本可用，但我还是希望能了解此现象形成的原理，以及为什么仿真（TINA软件）不能很好的重现此现象。应该是自己在运放稳定性方面还没有入门，所以不能解释其原因。期望通过您的帮助，得以入门。

一、电路分析及实验

自己推测：LM224不是“单位增益稳定”的运算放大器，而OP07是“单位增益稳定”的运算放大器。OPA228也不是“单位增益稳定”的运算放大器。手册上要求OPA228必须放大五倍。下面摘抄了关于“单位增益稳定”的判断方法：

在开环频率响应图上，在开环增益下降到0db的时候，如果运放的相位转移小于180°，那么就是单位增益稳定的。一般的集成运放为了优化瞬态响应的性能，都会留有一定的相位裕度，在开环增益下降到0db的时候，相位转移也就是120°左右的样子，也就是说有60°左右的相位裕度。

根据TINA的开环仿真，LM224  相位裕度是43.12°（单位增益不稳定吗？），OP07相位裕度是79.56°(单位增益稳定)，OPA228相位裕度是17.03°单位增益不稳定）。

 自己设想，是否LM224放大多倍后，也能不再振荡？于是进行了一系列的实验。首先还是单位负反馈，将运放的正相输入端输入接462mV（见图5），单位负反馈输出波形振荡（见图6）。

图5 运放输入接462mV单位负反馈输出振荡

图6 单位负反馈输出振荡

放大两倍是否会好一些（见图7）？运放输出振荡确实变小了一些（见图8）。

图7 放大两倍输出

图8 输出波形振荡

放大四倍是否会更好一些（见图9）？输出确实不再振荡了（见图10）。

图9 放大四倍输出

图10 输出不再振荡

使用TINA仿真，对比单位负反馈（如图11）和放大四倍（图12）时的伯德图的区别（如图13）。发现单位负反馈在400KHz~1MHz处增益曲线上翘，自己认为是否是干扰信号正好处于这个频率段，就被放大了。

图11 单位负反馈伯德图

图12      放大四倍的伯德

通过探头交流耦合测量电流传感器内部的2.5V的纹波（图14）。

图14 黄色是单位负反馈时输出400mV的波形，绿色是2.5V交流耦合波形

黄色为VF1处的运放输出的振荡电压波形，而绿色是VG1处2.5V上面叠加的交流纹波。频率比较相近，故自己猜测运输出振荡是由于2.5V上的纹波诱使的。通过仿真是否也还原这个现象？在图VG1处加入900KHz，峰峰值为100mV的正弦波信号，观测运放输出是否也会振荡。

仿真发现虽然运放会输出发生振荡，但运放输出的振荡幅值大幅缩小，仅仅只有VG1的十分之一（如图15）。

到此我就不能继续分析下去了。以下是我的疑问，真心恳请各位大师给予指点。

 

二、疑问

1、LM224是单位增益稳定的运输放大器吗？为什么LM224芯片手册上面没有像OPA228一样，特别指出必须放大多倍才能应用？

2、为什么不通过放大，而只加下拉电阻也能让运放输出不振荡？自己仿真发现不论是否加下拉电阻，运放的闭环伯德图不会发生变化。这个是最困惑的地方，请您能告诉我原理和如何能通过仿真验证此现象。

3、为什么在仿真中在2.5V上叠加VG1交流纹波100mV时，运放输出振荡纹波峰峰镇只有15mV电压，呈现衰减；而实际测得运放输出纹波400mV左右，呈现放大？我该如何修正仿真模型？

谢谢！期望得到您的指点。如果有描述不清楚的地方，请您提出，我继续完善。

亲；你的LM224来自何处？国内；你能方便买到的不下20种版本的LM224。因此；你以实物与仿真对比，实在有问题。

LM224是可以接成增益为1的缓冲器。你的问题是电路有点问题；在输出与反馈端加一10k以上电阻即可。

很感谢您能回复我了，请再给予我指点，谢谢了！

1、我购买的LM224是TI公司的LM224AD 封装SOIC(D)，应该是唯一的吧？

2、我曾经试过输出和反馈之间加一个3K的电阻，好像不能消除振荡。我会再用10K测试一次。您能告诉我原理吗？

3、为什么加下拉电阻能消除振荡？实验发现下拉电阻小于3K，振荡就不会明显，能告诉我原理吗？

4、如果要修正仿真模型，如何入手？

按照您的方法做了两组实验，先是去掉1K电阻，通过3K电阻将运放输出引回反馈端，仍然有振荡。

将3K电阻变成10K，依然振荡。

自己顶，不放弃。

周末会有大师逛到此处吗?求指点。

首先明确一下，你使用运放只是提供一个稳定的1.8V基准源？

通常运放不稳定，和layout关系比较大。而且测量到的波形，也不一定是运放自己产生的，有可能是外界的干扰。

建议将运放独立出来测试，只给供电，接成最简单的单位增益，输入接地来看下输出是啥。

感谢您的回复！

1、此电路的本意设计是让运放只为某电流传感器提供一个稳定的1.8V基准源。

2、此振荡确实和Layout有关，已经做了您提到的最简实验了，我也认为是外界干扰造成。

3、是否能指导我一下是何原理？如何避免下次犯错？如何解释放大多倍后就不会振荡？

4、是否能解释为什么输出接下拉电阻可以不再振荡。这是最困惑我的。（自己猜想，可能是因为加了下拉电阻将外界干扰源通过干扰源内阻和下拉电阻分压，减小了干扰源反馈到输入端的幅值，不知道对否。）

谢谢！

您好！我做了以下实验，将运放独立了出来。也佐证了引起振荡的“外界干扰”主要是通过输出端馈入系统的。如果外界干扰可能引起运放输出振荡，是否说明由LM224构成的单位增益是不稳定的？是否也能说明LM224特性不适合做单位增益？期望得到您的继续指点。

实验1：最简运放电路，输出不振荡。

实验3 接长导线，远端悬空，可能会振荡。最后证实开关电源变压器做了屏蔽不振荡，未做屏蔽会振荡。

按照您的建议，做了以下实验三，正相输入端接地。输出还是会振荡。

绿色是正相输入端波形，黄色是运放输出波形。

由于外部干扰而造成运放输出振荡，是否也说明了运放电路不稳定？应该能通过伯德图来解释原因吧？最多再加上一些寄生参数。

TI开课“运算放大器稳定性分析”，我是认真看了两遍，还是找不到答案。是否能以此列作为一个运放不稳定的案例，TI给予讲解呢？这个电路如此简单，还是有意义的啊！