運放專題：使用運放電路時產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象如何消除

發(fā)布時間：2024-12-3 閱讀量：771 來源: 我愛方案網(wǎng) 作者: bebop

運算放大器（簡稱運放）是電子電路中極為重要的元件，廣泛應(yīng)用于信號放大、濾波、比較等多種場合。然而，在某些情況下，由于設(shè)計或布局不當，運放電路可能會產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，即輸出信號出現(xiàn)不期望的高頻波動。這種現(xiàn)象不僅影響了電路性能，還可能對系統(tǒng)造成損害。本文將探討運放振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的解決辦法及應(yīng)用案例。

掃碼可申請免費樣片以及獲取產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書

振鈴現(xiàn)象概述

振鈴現(xiàn)象是一種在電路響應(yīng)中出現(xiàn)的周期性振蕩，通常表現(xiàn)為快速上升或下降的邊緣后跟隨一個或多個振幅逐漸減小的振蕩。在運放電路中，振鈴可能是由反饋回路中的相位滯后和增益裕度不足引起的。

振鈴產(chǎn)生案例

如下圖所示：紅色圈住的部分為人為加入的反相端寄生電容10nF,其他參數(shù)不變。

（圖源EDN）

參數(shù)設(shè)置完畢，輸出波形如下圖所示：

運放振鈴現(xiàn)象

（圖源EDN）

從PCB板的寄生參數(shù)出發(fā)去分析它產(chǎn)生的原因。運放振鈴產(chǎn)的原因就是由于反向輸入端的寄生電容與反饋電阻構(gòu)成了一個低通濾波器，低通濾波器會導(dǎo)致相位滯后。運算放大器同相端與反相端的電壓差值放大無窮大倍，然而放大倍數(shù)又不可能無窮大，這就得益于輸出端的反饋回路。當輸出電壓過大時，反饋到反相端的電壓也會變大，進而輸出端電壓減小，當輸出端電壓過小時，反饋到反相端的電壓就變小，進而使輸出端的電壓增大，這樣的一個過程如此往復(fù)形成一個動態(tài)平衡，保持輸出端電壓穩(wěn)定。

但是當反饋回路出現(xiàn)了延遲，會出現(xiàn)什么情況呢？那就是輸出端的電壓已經(jīng)到達預(yù)定電壓值了，可是由于反饋回路上的延遲，運放認為輸出端的電壓還沒增加到達預(yù)定電壓，還在繼續(xù)增大輸出電壓，當運放反應(yīng)過來之后又發(fā)現(xiàn)輸出電壓過大，又開始減小輸出電壓，當輸出端的電壓已經(jīng)減小到達預(yù)定電壓值了，同樣由于延遲的存在，運放認為輸出端的電壓還沒減小到預(yù)定電壓，當運放反應(yīng)過來時輸出電壓又低于預(yù)定電壓了，然后又開始增大輸出電壓。循環(huán)往復(fù)，這就產(chǎn)生了振鈴。

振鈴產(chǎn)生主要原因如下：

1. 相位裕度不足

當運放的反饋網(wǎng)絡(luò)引入過多的相位滯后時，會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。如果相位裕度小于45度，那么正反饋路徑就可能超過負反饋，從而引發(fā)振鈴。

解決方法：增加相位裕度，通過合適的相位校準或穩(wěn)相網(wǎng)絡(luò)確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

2. 寄生電容效應(yīng)

運放的反向輸入端存在寄生電容，這些電容與反饋電阻共同作用形成低通濾波器，導(dǎo)致相位滯后。當這個滯后達到一定程度時，就可能引起振鈴。

解決拌飯：避免在運放的反向輸入端覆銅，以減少寄生電容。此外，可以通過優(yōu)化PCB布局來減少不必要的寄生電容。

3. 不恰當?shù)念l率補償

頻率補償不足或過度都可能導(dǎo)致運放的頻率響應(yīng)不穩(wěn)定，進而產(chǎn)生振鈴。

解決方法：合理設(shè)計頻率補償電路，選擇合適的補償元件和參數(shù)。

4. 負載容量過大

負載電容過大可以改變電路的頻率特性，增加相位滯后，同樣可能導(dǎo)致振鈴。

解決方法：優(yōu)化負載設(shè)計，減小負載電容，提高電路的帶寬和穩(wěn)定性。

5. 輸入信號幅度

過大的輸入信號可能超出運放的線性范圍，導(dǎo)致非線性失真和振鈴。

解決方法：限制輸入信號幅度，增加可調(diào)節(jié)的偏置電壓等手段調(diào)整輸入信號。

低成本運放芯片推薦：

快包分析師推薦上海貝嶺BL370X工業(yè)級運放芯片，工作溫度范圍-40℃至+125℃，可廣泛使用于電機控制、家用電器控制面板、電池管理系統(tǒng)、手持式測試設(shè)備、工業(yè)自動化、以及光伏逆變等行業(yè)。

應(yīng)用示例

電機控制場景

在高要求的伺服電機控制應(yīng)用中，相電流檢測精度是影響控制性能的一個重要因素，如果運放的帶寬和壓擺率達不到要求，則會影響相電流的采樣精度。

BL370X系列產(chǎn)品有12MHz的帶寬，11V/μs的壓擺率，使得在產(chǎn)品在檢測的過程中擁有更快的響應(yīng)速度，滿足高要求的電機控制應(yīng)用需求。

產(chǎn)品特點

工作電壓范圍：+2.1V - +5.5V

低噪聲 : 6.5nV/√Hz @1kHz

增益帶寬: 12MHz (Typ)

低輸入偏置電流: 1pA (Typ)

失調(diào)電壓: 0.25mV (Typ)

高壓擺率: 11V/μs

靜態(tài)電流: 1.1mA /每通道 (Typ)

軌到軌輸入與輸出

工作溫度范圍: -40°C ~ +125°C

? BL3701 支持SOT23-5, SC70-5 封裝

產(chǎn)品優(yōu)勢

優(yōu)異的低噪聲特性，在1KHZ頻率下的電壓噪聲頻譜密度只有6.5nV/√Hz

設(shè)計放大微弱信號電路時，噪聲對放大結(jié)果有著比較大的影響，如果需要檢測的信號很小，噪聲很大，則有用信號會被噪聲掩蓋，很難識別哪些是有用信號，哪些是干擾信號，這樣會給設(shè)計帶來很大的困擾。

運算放大器噪聲主要來源于電源噪聲、器件噪聲，下面來一一分析解決。

電源噪聲

即PSRR，通常PSRR在70dB左右就可以滿足設(shè)計要求，而BL370X系列產(chǎn)品可以做到高達90dB的PSRR，極大地抑制了電源噪聲。

器件噪聲

此噪聲主要來源于運放器件本身的噪聲，通用運放產(chǎn)品的噪聲頻譜密度通常27-40nV/√Hz @1kHz左右, 同類低噪聲產(chǎn)品的噪聲頻譜密度也在12nV/√Hz @1kHz左右,而BL370X的噪聲頻譜密度可低至6.5nV/√Hz @1kHz，這個優(yōu)越的特性很好地解決了器件噪聲所帶來的影響。

BL370X的低噪聲特性能很好地優(yōu)化和解決上述問題，為系統(tǒng)設(shè)計帶來便利。

低失調(diào)電壓

BL370X可以做到失調(diào)電壓0.25mV, 如果應(yīng)用場景中的有效信號為直流信號，那么需要挑選Vos遠小于被測信號幅度的運放；如果關(guān)注的是交流信號，BL370X低失調(diào)電壓特性，可以防止交流信號削頂失真。

在同類產(chǎn)品的比較中，性能更優(yōu)