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Part 01、前言

運算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計是保證運放電路性能和可靠性的重要環(huán)節(jié)。若設(shè)計不當，可能會導(dǎo)致電路振蕩、不穩(wěn)定甚至功能失效。很多硬件工程師在設(shè)計運算放大器電路時，往往只關(guān)注運放的失調(diào)電壓，增益，共模抑制比這些參數(shù)，經(jīng)常會忽略運算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計，或者說不理解運算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計到底是怎么一回事，更有甚者會覺得自己采集的是直流信號，又不是什么高頻交流信號，沒必要關(guān)注運算放大器的穩(wěn)定性設(shè)計，這些觀念都是不對的，今天我們就借助一個運放輸出產(chǎn)生振蕩問題的例子來說明運算放大器穩(wěn)定性設(shè)計是怎么一回事，以及如何解決這一問題。。

運放的穩(wěn)定性取決于運放的開環(huán)增益和反饋網(wǎng)絡(luò)的相互作用。振蕩通常與相位裕度和增益裕度不足有關(guān)，相位裕度也就是運放在閉環(huán)系統(tǒng)中的開環(huán)增益下降至 1（0dB）時的相位余量。常見的穩(wěn)定設(shè)計目標是相位裕度 ≥ 45°。而增益裕度是系統(tǒng)相位達到 -180°（失穩(wěn)條件）時的增益余量，通常要求增益裕度>6dB。

運放穩(wěn)定性問題的主要來源有負載效應(yīng)，比如電容性負載（如長電纜、電容濾波器）可能降低相位裕度，引起振蕩。或者反饋網(wǎng)絡(luò)中反饋電阻和電容形成的頻率特性可能引入額外的極點或零點，影響穩(wěn)定性。運放帶寬不足或增益帶寬積（GBW）不夠可能導(dǎo)致閉環(huán)增益響應(yīng)異常。以及PCB布線和元件寄生效應(yīng)也可能引起高頻振蕩。

今天我們講解的例子是運放輸出放置電容后導(dǎo)致的運放穩(wěn)定性問題。

Part 02、實例講解

下圖是一個電壓跟隨器電路，輸出端有一個470nF的電容，輸入波形是一個周期2ms，占空比50%的方波，通過仿真發(fā)現(xiàn)輸出波形存在很嚴重的振蕩問題。

輸出波形振蕩：

原因分析：閉環(huán)反饋系統(tǒng)依賴于精確的反饋信號來調(diào)節(jié)輸出。如果反饋網(wǎng)絡(luò)引入了額外的延遲或相位偏移，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。運放輸出端是有等效電阻Rout，此電阻和外部470nF負載電容會引入一個額外的極點，從而改變系統(tǒng)的頻率特性，降低相位裕度。

電容性負載會在運放輸出端和地之間形成一個低通濾波器，輸出阻抗 Rout和電容CL構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個附加極點。其截止頻率fp為：

該極點降低了系統(tǒng)的相位裕度。在高頻下，反饋信號的相位滯后可能接近或達到180°，與反相輸入引腳的信號疊加，形成正反饋，導(dǎo)致振蕩。

Part 03、如何解決？

方案1：串聯(lián)電阻在運放輸出端與負載電容之間串聯(lián)一個小電阻Rs，形成電阻-電容（RC），隔離運放的輸出阻抗Rout和負載電容CL的直接耦合，降低極點對相位裕度的影響。電阻的典型值為10Ω?100Ω，具體值需通過仿真和實驗確定。比如在運放輸出端串聯(lián)10Ω電阻，重新仿真，發(fā)現(xiàn)運放輸出端不再發(fā)生振蕩。