自激振荡分析与解决

如果放大器工作在通频带以外,由于相移增大,就有可能使负反馈变成正反馈, 以至产生自激振荡。

1 自激振荡的条件[1]

自激振荡的条件为AF=-1,即|AF|= 1和arg(AF)=φA+φF=±(2n+1)π(n=0,1,2,…)

上述公式是在负反馈的基础上推导出来的,相应条件是在-180°的基础上(中频时U0与Ui反相)所产生的附加相移Δφ。

2 检查电路是否稳定工作的方法

(1) 方法一:根据AF的幅频和相频波特图来判断。设

LAF=20lg|AF|(dB)

1) 当Δφ=-180°时(满足相位条件):若LAF<0,则电路

稳定;若LAF≥0 (满足幅度条件),则自激。

2) 当|AF|=1,即LAF=0dB时(满足幅度条件):若|Δφ

|<180,移相不足,不能自激;若|Δφ|≥180°,满足相位条件,能自激。

3)LAF=0时的频率为f0,Δφ=180°时的频率为fc,当f0 用上述三个判据中任何一个判断均可,需要注意的是,当反馈网络为纯电阻时,反馈系数F为实数,AF的波特图与A的波特图成

为相似形。为简便起见,通常只画出A的波特图进行研究。因为F为已知(或可求),20lg(1/F)是一条水平线,它与A的幅频波特图相交于一点,这交点满足|A|=1/F,即|AF|=1(对应于

20lg|AF|=0),根据交点处的相位小于-180°就能判断稳定与否。

(2)方法二:只根据幅频特性,无需相频特性的判别法。

因为20lg|AF|=0时,Δφ=-180°产生自激。幅度条件改写成:20lg|A|+20lg|F| =0即:20lg|A|-20lg1/|F|=0,20lg|A|= 20lg1/|AF|≈20lg|Af|。因此,自激条件又可描述为,当Δφ

=-180°时,如果开环增益近似等于闭环增益将自激。而开环增益的-20dB/dec段,对应于Δφ=-45°～- 135,-40dB/dec段对应于Δφ=-135°～- 225°。所以在开环幅频特性的波特图上,直接画闭环增益曲线,并令两者相交,若交于 -20dB/dec段对

电路稳定,交于-40dB/dec 段时,电路可能自激。

3 影响电路稳定性的主要因素[2]

(1)极点数越多越不稳定,单极点不会自激;两个极点的电

路若不考虑寄生参数的影响也不会自激,但寄生参量实际上是

存在的,因此有可能产生自激;三个极点的电路可能产生自激。

(2)极点频率越相互靠近,频率特性下降得就越快,就越容

易产生自激。各极点重合时,稳定性最差。

(3)负反馈越深,越容易满足自激的幅度条件,电路越容易自激。

4 防止高频自激的原则

(1)尽量采用单级或两级负反馈。单级负反馈肯定稳定,两级负反馈即使不稳定也容易通过补偿消除自激。

(2)各级放大电路的参数尽量分散,使极点拉开。

(3)限制负反馈深度,这是不得已的消极方法。

无论采用哪种措施,其目的都是使开环频率特性穿过0dB

时的斜率尽量为-20dB/dec,以保证电路可靠地工作。如果穿越0dB 时的斜率为-40dB/dec,电路可能稳定,也可能不稳定,这主要看后面极点的影响及寄生参数的情况。即使稳定,相位裕度也很小。若以-60dB/dec的斜率穿越0dB线,则系统一定不稳定。因此说,消除自激的指导思想是:希望极点数少些,极点频率拉开些,-20dB/dec段长些。

5 消除自激振荡的方法[3]

自激振荡有幅度条件和相位条件,只要设法破坏其中的一个条件,电路就可以稳定地工作。

(1)电容校正 (主极点校正),在极点频率最低的一级接入校正电容C,使主极点频率降低,-20dB/dec段拉长,尽量获得单极点结构,以破坏幅度条件,使电路稳定。

(2)RC校正(极点—零点校正),用RC串联网络代替电容C,这一方面使原来的主极点降低,另一方面引入了一个新的零点,此零点与原来第二个极点抵消,使极点数减少,而且极点也拉开了。这种补偿可获得较宽的通频带。

(3)反馈电容校正,校正电容跨接于晶体管的b、c之间,形成该级的电压并联负反馈,这种校正方法可用较小的电容达到消振目的。

以上三种均属于滞后补偿(校正)。

(4)超前校正,其指导思想是设法将 0dB 点的相位向前移,破坏其相位条件。例如,在比例运算电路中 Rf 两端并联一个电容,以改变反馈网络的频率特性。