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谈谈几点避免放大器不稳定的设计方法

时间:09-23 来源:互联网 点击:

假设我们设计一个电压跟随器的运算放大电路, 得到的输出波形如下图所示, 寄生的电感, 电容产生了振荡的可能性, 令大家都会感觉头痛.

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图1 buffer输出波形

输出波形的谐波冲激到底达到什么程度才能避免振荡呢?

这里面涉及到一点基本理论, 稍微简单的谈一下.

一个RLC串联电路, 它的传输函数可以写成下式表示,

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閻愵剙鍔ょ紓宥咃躬瀵鎮㈤崗灏栨嫽闁诲酣娼ф竟濠偽i鍓х<闁绘劦鍓欓崝銈囩磽瀹ュ拑韬€殿喖顭烽幃銏ゅ礂鐏忔牗瀚介梺璇查叄濞佳勭珶婵犲伣锝夘敊閸撗咃紲闂佽鍨庨崘锝嗗瘱闂備胶顢婂▍鏇㈠箲閸ヮ剙鐏抽柡鍐ㄧ墕缁€鍐┿亜韫囧海顦﹀ù婊堢畺閺屻劌鈹戦崱娆忓毈缂備降鍔岄妶鎼佸蓟閻斿吋鍎岄柛婵勫劤琚﹂梻浣告惈閻绱炴笟鈧妴浣割潨閳ь剟骞冨▎鎾崇妞ゆ挾鍣ュΛ褔姊婚崒娆戠獢婵炰匠鍏炬稑鈻庨幋鐐存闂佸湱鍎ら〃鎰礊閺嶃劎绡€闂傚牊渚楅崕鎰版煛閸涱喚鍙€闁哄本绋戦埥澶愬础閻愬樊娼绘俊鐐€戦崕鏌ユ嚌妤e啫鐓橀柟瀵稿仜缁犵娀姊虹粙鍖℃敾妞ゃ劌妫濋獮鍫ュΩ閳哄倸鈧鏌﹀Ο渚Ш闁挎稒绋戦埞鎴︽倷閺夋垹浜堕梺鐟扮-閸嬨倕鐣烽崼鏇ㄦ晢濞达綁鏅茬紓鎾剁磽閸屾瑧顦︽い鎴濇嚇閹ê鈹戠€n偄鈧灚銇勯幘璺烘瀺缂佽妫濋弻鏇㈠醇濠靛牏顔婇梺鍛婂笂閸楁娊寮诲☉銏″亞濞达綁鏅茬花鐣岀磽娓氬洤鏋︽い鏇嗗洤鐓″璺好¢悢鑽ょ杸闁规儳澧庢闂備浇妗ㄩ悞锕傚礉濞嗗繒鏆﹂柕濞炬櫓閺佸﹪鎮规笟顖滃帥闁衡偓閵娧呯=闁稿本鑹鹃埀顒勵棑缁牊绗熼埀顒勩€侀弽顓炵妞ゆ牗绋戝▓鎴︽⒑閸涘﹥灏柣鎺炵畵閿濈偤寮撮姀锛勫幍闂佺顫夐崝锕傚吹濞嗘垹妫柟顖嗗啯鍊梺閫涚┒閸斿矂锝炲⿰鍫濆耿婵°倐鍋撴鐐差儔濮婅櫣绮欏▎鎯у壉闂佸湱鎳撳ú顓㈢嵁閸愩劉鍫柛顐ゅ枎濞堢喖姊洪棃娑辨Ф闁稿寒鍣e畷鎴﹀箻鐠囨煡鏁滃┑掳鍊撻懗鍫曞矗閸℃稒鈷戦柛婵嗗婢跺嫭鎱ㄥΟ绋垮鐎规洘绻傞鍏煎緞鐎n剙骞嶉梻浣告啞閸旀ḿ浜稿▎鎾村€块柛娑橈攻閸欏繐鈹戦悩鎻掝伀閻㈩垱鐩弻鐔风暋閻楀牆娈楅悗瑙勬磸閸斿秶鎹㈠┑瀣<婵炴垶鐟ч弳顓㈡⒒閸屾艾鈧嘲霉閸パ呮殾闁汇垻枪缁愭鏌涢埄鍐槈缁炬儳娼¢弻鐔煎箚閻楀牜妫勭紓浣哄У閻擄繝寮婚弴锛勭杸闁哄洨鍎愰埀顒€鏈换娑氱箔閸濆嫬顫囬梺鍝勮嫰缁夌兘篓娓氣偓閺屾盯骞樼€靛憡鍣板銈冨灪瀹€鎼佸极閹版澘骞㈡繛鍡樺灩濡插洦绻濆▓鍨灍闁挎洍鏅犲畷銏ゅ礂閼测晩娲稿┑鐘诧工閹虫劗澹曟總鍛婄厽闁逛即娼ф晶顔姐亜鎼淬垻鐭婃い顏勫暟閳ь剚绋掕摫闁稿﹥鍔楅埀顒侇問閸犳鎮¢敓鐘偓浣肝旈崨顓狀槹濡炪倖鍨兼慨銈団偓姘偢濮婄粯鎷呴崨濠呯闁哄浜濈换娑㈠箻椤曞懏顥栫紓渚囧枛椤兘鐛Ο灏栧亾闂堟稒鎲告い鏃€娲熼弻锝夋偐閸欏宸堕梺鍛婁緱閸樺ジ鎮¢崒鐐粹拺閺夌偞澹嗛ˇ锕傛煟濡も偓閿曘儳绮氭潏銊х瘈闁搞儺鐏涜閺屾稑鈽夐崡鐐寸亪濠电偛鎳岄崐婵嗩潖閾忓湱鐭欐繛鍡樺劤閸擃剟姊洪崨濠冨鞍缂佽瀚伴獮鎴﹀閻橆偅鏂€闂佹悶鍎弲婵嬫儊閸儲鈷戠紒瀣濠€鎵磼鐎n偄鐏ラ柍璇茬Ч閺佹劙宕担鐟扮槣闂備線娼ч悧鍡欐崲閹烘绀嗗ù鐓庣摠閻撳繘鏌涢銈呮瀾闁稿﹥鍔栭〃銉╂倷閹绘帗娈茬紓浣稿€圭敮鐐哄焵椤掑﹦鍒伴柣蹇斿哺瀵煡顢楅埀顒勫煘閹达附鍊烽柡澶嬪灩娴犳悂鏌﹂崘顔绘喚闁诡喖缍婂畷鍫曞煛娴i攱顫曟繝娈垮枛閿曘劌鈻嶉敐澶婄闁绘ǹ顕ч悘鎶芥煣韫囷絽浜炲ù婊冪埣濮婄粯鎷呴挊澶婃優闂侀潻缍囬梽鍕┍婵犲洤鐐婃い鎺嗗亾缂佺姵鐓¢弻鏇$疀閺囩倫娑㈡煛閳ь剚绂掔€n偄鈧敻鏌ㄥ┑鍡欏嚬缂併劋绮欓弻娑欑節閸曨偂妲愬┑顔硷攻濡炶棄螞閸愵煁褰掑Χ閸℃瑦鍒涢悗瑙勬礃閿曘垺淇婇幖浣肝ㄦい鏃囨閺嬬姵绻濋悽闈浶ラ柡浣告啞閹便劑鎮滈挊澶嬬€梺鍛婄☉閿曘儵宕h箛娑欑厽闁硅揪绲鹃ˉ澶愭煛鐎b晝绐旈柡宀€鍠栧鑽も偓闈涘濡差喚绱掗悙顒€绀冩い顐㈩樀婵$敻宕熼姘敤濡炪倖鍔﹀鈧紒顔肩埣濮婅櫣绱掑Ο铏圭懆闂佽绻戝畝鍛婁繆閻㈢ǹ绀嬫い鏍ㄦ皑椤斿﹪姊洪悷鎵憼缂佽绉电粋鎺楁嚃閳哄啰锛滈梺缁樺姦閸撴瑩宕濋妶鍡愪簻妞ゆ挾濮撮崢瀵糕偓娈垮枛椤兘骞冮姀銈嗗亗閹艰揪缍嗗Σ鍫曟煟閻斿摜鐭婄紒缁樺浮瀵偊顢欑亸鏍潔闂侀潧楠忕槐鏇㈠储娴犲鈷戦悷娆忓閸斻倖銇勯弴銊ュ箹閻撱倝鏌熺紒銏犳灍闁绘挻鐟﹂妵鍕籍閸屾粍鎲樺┑鐐茬墛缁捇寮婚埄鍐╁闁荤喐婢橀~宥夋⒑鐠団€崇仭婵☆偄鍟村畷瑙勩偅閸愨晛娈ゅ銈嗗笂閻掞箑鈻嶉敃鈧埞鎴︽偐閸偅姣勬繝娈垮櫘閸欏啴鐛箛娑樼妞ゆ棁鍋愰ˇ銊ヮ渻閵堝懐绠伴柛鐔哄閵囨瑩骞庨懞銉㈡嫽婵炴挻鍩冮崑鎾绘煃瑜滈崜姘辩矙閹捐鐓橀柟鐑橆殕閻撴洟鏌¢崒婵囩《閼叉牠姊洪悷鎵暛闁搞劌缍婇崺鐐哄箣閻橆偄浜鹃柨婵嗙凹缁ㄨ崵绱掗幇顓犫槈妞ゎ亜鍟存俊鍫曞幢濡⒈妲梻浣烘嚀閸熻法绮旈悷鎵殾妞ゆ劏鎳¢弮鍫濆窛妞ゆ棁顫夌€氳棄鈹戦悙鑸靛涧缂佽弓绮欓獮澶愭晬閸曨剙顏搁梺璺ㄥ枔婵敻鎮″▎鎾寸叄闊浄绲芥禍婵嬫倶韫囨洘鏆柡灞界Х椤т線鏌涢幘纾嬪妞ゎ偅绻堟俊鎼佹晜閼恒儳褰挎繝寰锋澘鈧捇鎳楅崼鏇炵厴鐎广儱鎳夐弨浠嬫煟濡搫绾ч柟鍏煎姉缁辨帡鎮╅崹顐㈡畬闂傚洤顦甸弻銊モ攽閸℃瑥顣洪梺閫炲苯鍘哥紒顔界懄娣囧﹪骞栨担鍝ュ幐闂佺ǹ鏈划灞筋嚕閹惰姤鈷掑ù锝呮啞閹牓鏌涢悢鍝勨枅鐎规洘鍨块獮妯肩磼濡厧骞堥梺纭呭閹活亞妲愰弴銏℃櫖鐎广儱娲ㄧ壕濂稿级閸碍娅呭ù鐘洪哺椤ㄣ儵鎮欓弶鎴犵懆闁剧粯鐗曢湁闁挎繂鎳庣痪褔鎮楀顐ょ煓婵﹦绮幏鍛村川闂堟稓绉虹€殿喚鏁婚、妤呭礋椤掆偓娴狀參姊洪棃娴ュ牓寮插☉姘辩焼闁稿本澹曢崑鎾诲礂婢跺﹣澹曢梻浣告啞濞诧箓宕滃☉銏犲偍闁汇垹鎲¢埛鎴︽煙椤栧棗瀚々浼存⒑缁嬫鍎忛柟鍐查叄閹儳鐣¢幍顔芥畷闂侀€炲苯澧撮柛鈹惧亾濡炪倖甯掗崰姘缚閹邦厾绠鹃柛娆忣槺閻帞鈧鍣崑鍡涘箯閻樺樊鍟呮い鏂垮悑椤撳灝鈹戦悙宸殶濠殿喗鎸抽、鏍箛閺夋寧鐎梺鎼炲労閸撴岸鎮¢悢鍏肩厵闂侇叏绠戝楣冩煕閻旈绠婚柡灞剧洴閹瑩宕归锝嗙槗婵犳鍠栭敃锔惧垝椤栫偛绠柛娑樼摠閸ゅ秹鏌曟竟顖欒閸嬫挻绻濋崶銊㈡嫼闂傚倸鐗冮弲婵堢矓閸撲胶纾奸柣妯挎珪瀹曞矂鏌e☉鍗炴灕缂佺姵绋戦埥澶娾枎閹邦収浠ч梻鍌欐祰濞夋洟宕抽敃鍌氱闁跨噦鎷�...

其中ζ称为damping系数, ζ一般大于1的话, 这个RLC的寄生电路成分不会产生振荡危险,但是实际中, L往往很大, 而R有往往较小, 比如layout设计的时候, 过分的把信号线设的过窄等.

ζ如果过小,输出信号的频率特性在高频处会像下图那样先有个冲起再下降, 所以有些电路, 设计者往往在仿真时看到的F3dB特性满足要求, 但是实际测得的特性, 要比设计低很多, 也是因为寄生的RCL值在仿真时用的估值和实际值有一定的误差, 而这个误差有可能会导致Ft特性假性增加, 实质Ft要低于仿真结果不少.

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图2 电路的频域响应

我们了解ζ的作用后, 可以在设计时避开这个危险的冲激, 如图1, 在时域中看到的波形, 为了消除冲激, 可在电路中刻意加入一定值的电阻来增大ζ值, 使电路获得稳定的频域特性.

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图3 加入串联电阻的效果

加入一个电阻后, 可以像上图那样, 获得更稳定的时域响应波形.

如果更深一步的探讨的话, 有时候加入电阻可能不能解决问题, 因为这个叠加在输出波形的寄生冲激来自于其他地方, 比如由电路的GND线路混入, GND的不稳定冲激可能直接叠加在输出波形上, 这时候我们可以增加一个旁路电容, 或者把GND信号线加粗减少寄生电容等方法让GND变得更稳定一些.(其实也是通过ζ公式来增加C或者减小L来使ζ变得更大)

旁路电容对大家来说应该不会陌生, 一般的电路都离不开它,比如前面那一篇博客里谈到的LDO设计, 往往需要在芯片外接一个数nF的电容来稳定信号, 这里稍微提一下旁路电路的一个注意点, 虽然旁路电容可以降低低频噪声, 但是同时可能会引起高频段噪声的增加, 所以在高频电路中同时需要加入电阻来降低寄生谐振成分的Q值. 这一点对射频设计者来说也很重要.


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