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如何避免和消除自激振蕩?(下)

發(fā)布時間:2020-07-24 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】自激振蕩像得病一樣,重在防御??蓮囊韵路矫嫒胧?。設(shè)計 PCB 時,盡量減小雜散電容,特別是CIN-。同一層的兩個相鄰節(jié)點間。比如某根信號線,和周邊的覆銅 GND 之間,以及和周邊的焊點之間有雜散電容C1;不同層上下之間。比如元件層的線,和焊接層的大面積 GND 之間。
    
自激振蕩像得病一樣,重在防御。可從以下方面入手。
 
1)設(shè)計 PCB 時,盡量減小雜散電容,特別是CIN-。下圖進行說明:
 
如何避免和消除自激振蕩?(下)
 
同一層的兩個相鄰節(jié)點間。比如某根信號線,和周邊的覆銅 GND 之間,以及和周邊的焊點之間有雜散電容C1;
 
不同層上下之間。比如元件層的線,和焊接層的大面積 GND 之間,如圖中 C2;
 
一般的,雜散電容可以達到 pF 數(shù)量級。這是不可忽視的。這些雜散電容和電路中的電阻,很容易形成低通網(wǎng)絡(luò),有可能引起電路穩(wěn)定性下降。
 
電路舉例,如下圖:
 
如何避免和消除自激振蕩?(下)
 
設(shè)計一個同相比例器,做成實際電路板后,就出現(xiàn)了三個雜散電容:CIN+、CIN-、COUT
 
CIN+ 與信號源內(nèi)阻 R S (或者前級放大電路的輸出電阻)組成了一個低通網(wǎng)絡(luò),但是這個低通網(wǎng)絡(luò)不在反饋環(huán)內(nèi),它只會影響不同頻率輸入信號到達放大電路輸入端的比率,進而影響放大電路的帶寬,而不會引起任何穩(wěn)定性問題。
 
CIN-與電阻 R 2 和 R 1 的并聯(lián),共同組成了一個環(huán)路內(nèi)的低通網(wǎng)絡(luò)。由于電阻 R 2 和 R 1 的并聯(lián)遠大于運放的輸出電阻,這導(dǎo)致非常小的 CIN- ,就可以產(chǎn)生巨大的作用。因此,在電路設(shè)計中降低運放負輸入端電容,就非常關(guān)鍵。
 
COUT會在反饋環(huán)路中引入一個低通網(wǎng)絡(luò),有可能引起環(huán)路的穩(wěn)定性下降。
 
注意敷銅:
 
覆銅的本質(zhì)目的是增大地線面積,進而減小地線電阻和電感。但是覆銅操作也會帶來兩個問題:
 
第一,它與同層信號線之間就形成了很長很長的近距離間隙,也就是很大的電容C1。
第二,它與其他層的信號線形成了層間電容C 2 。這些雜散電容,都會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。
 
如圖:
 
如何避免和消除自激振蕩?(下)
 
運放負輸入腳及其連接線的下方,絕對不要覆銅,或者覆銅后實施挖空操作。
 
運放負輸入腳、輸出腳及其連接線的同層周邊,一定要與覆銅保持足夠大的間距。建議此間距要大于 20mil。
 
2)選擇合適的增益和合適的增益電阻
對任何一個選定的運放,在它能夠?qū)崿F(xiàn)的最小增益基礎(chǔ)上,適當提高閉環(huán)增益,可以有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
 
增益電阻盡量選擇小的,以降低 CIN-的作用。
 
因為CIN-的旁路作用使放大器的高頻響應(yīng)變差,其頻帶的上限頻率約為:fH=1/(2πR2CIN-),若R2的阻值較大,上限頻率嚴重下降,同時引入的滯后相位可能引起振蕩。理論上,如果要實現(xiàn) 10 倍同相增益,用10kΩ 對 1kΩ,就沒有用 1KΩ 對 100Ω 好。
 
3)盡量不要驅(qū)動大電容負載,必須驅(qū)動大電容負載的,使用裕度大的運放。一般可在運放輸出端串聯(lián)一個幾十歐姆的小電阻起隔離作用。
 
4 ) 最常見的做法是在反饋電阻中并聯(lián)一個小電容Cf。
 
如何避免和消除自激振蕩?(下)
 
Rin、Cf網(wǎng)絡(luò)與R2、CIN-網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成相位補償。Rin、Cf將引起輸出電壓相位超前,由于不能準確知道CIN-的值,所以相位超前量與滯后量不可能得到完全補償,一般是采用可變電容Cf,用實驗和調(diào)整Cf的方法使附加相移最小。若R2=10kΩ,Cf的典型值絲邊3~10pF。對于電壓跟隨器而言,其Cf值可以稍大一些。
 
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