模拟电路系列文章-放大电路输出电容

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概要

整体架构流程

技术名词解释

技术细节

小结

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概要

提示：这里可以添加技术概要

       一个运放组成的同相比例器（包含运放内部结构）所示，在它的输出端对地接了一个大电容C，这是一个极其危险的电路，一般会引起电路工作不稳定，特别是方波输入时会引起过大的过冲和振铃现象，有时候还会发生自激振荡。

整体架构流程

上图为运算放大器的基本结构

技术名词解释

运放：运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算，因而得名“运算放

技术细节

       为了解释这种现象，图中我们画出了运放内部的简化等效结构︰图中小运放都是理想的，入端开始是一个理想的开环运放，然后是两级低通网络，产生两个上限截止频率，其中f非常小，是运放设计者为了增强运放电路稳定性，而在运放内部刻意制造的，对低速运放，此值约为0.1~10Hz量级，对高速运放，此值可达 10kHz甚至更高。而 f:要大得多，它不是刻意制造的，而是集成电路生产中固有存在的，比如PN结之间的杂散电容引起的。实际的fw不是一个简单的一阶低通产生，可能是多个复杂网络形成。但在本图中，为了简化，我们将其描述成一个和C2形成的一阶低通。但读者必须清楚，理论上两级1阶低通，只能产生最大180°的滞后，而这两级的简化模型，是可以产生超过180°的滞后相移的。

       此后是一个跟随器隔离阻容网络与输出端的阻抗联系，然后每一个运放都有一个输出电阻r。，约为0.01Q~100Q，取决于不同的运放，以及不同的信号频率。
     这个模型，已经可以大致描述出实际运放的开环幅频、相频特性。

       当运放电路的输出没有电容，则环路只包含运放和反馈电阻。因此，其是否稳定，可以利用前述方法判断——需要特别注意的是，此时的运放输出电阻r。，在分析中起不到什么作用，毕竟它和R相比，还是太小了。但是，一旦在此电路的输出端对地端接一个负载电容，那么输出电阻r就与C组成了一阶低通，它在产生增益衰竭的同时，也会产生最大-90°的相移，这样环路增益曲线会加速下降，这有利于稳定，而环路相移曲线也会加速下降，不利于稳定。这就要看谁的作用大了。

       一个一阶低通的引入，在带来-3dB的环路增益下降的同时，会引起-45°的额外相移，-6dB增益下降，则会引起-60°的额外相移，这已经差不多将相位裕度全部消耗完了。总体看，相移的影响更大一些，或者说，这个一阶低通的引入，多数情况下会引起系统更加不稳定。
       这个过程特别好玩。有些人会片面的认为，在环路中增加一阶低通会引起系统不稳定，因为这会引入额外的相移，降低相位裕度。这是完全错误的。实际上，一阶低通的引入，就如大千世界一分为二的万物一般——有其好的方面，就有其坏的方面，而好与坏，又以不同的方式呈现，看你怎么用它。
       一阶低通引入后，增益降低（有利于稳定）是缓慢的，但是却是持续的，永无休止的，因为一阶低通的增益会随着频率的增大，而无限降低，趋近于0。而相移的增加（不利于稳定）是迅速的，却是有极限的，即便频率趋于无穷大，相移也只能到-90。

       这有点像沙漠中的骆驼。渴，缺水会死亡，累，也会死亡。背上水，有好处，但也增加了负荷。背水还是不背水?这得看什么时候。
       眼看就要到终点了，也是累到极限的时候，即便多背一壶生命必须的水，也会压垮这个可怜的骆驼。而刚开始旅行的时候，则必须背上足够的水。水，是好还是坏﹖它可以长久供应骆驼的需求，但是又在短瞬间增加了骆驼的负荷。
       道理几乎完全相同。科学家在运放设计时就考虑到了这点。他们人为的，在低频段引入了一个低通滤波器，如ADA4899-1中，26kHz处的一阶低通，就是人为刻意增加的，这有助于增加运放电路的稳定性。而在高频处，则告诫用户，避免出现低通网络。
因此，对于运放组成的负反馈放大电路，不要在其输出端接大电容负载。否则，其稳定性一般会出现下降。轻者，出现方波输入时的输出过冲，。重者，则会引起自激振荡。

      图中的过冲，是指当矩形波输入时，输出出现了先冲上去，再降下来，来回折腾几次才稳定下来的现象。对一个良好的放大器来说，过冲越小越好。
      过冲大小用百分比表示，即图中的A/B。图中可知，当端接不同的输出负载电容时，ADA4899-1的过冲也不同，C为15pF时，过冲如图所示，是最大的，肉眼看约为36%。
 

小结

提示：这里可以添加总结

本节总结了负反馈电路为什么不能接大电容的情况