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    如何避免和消除自激振蕩?(下)

    發布時間:2020-07-24 責任編輯:lina

    【導讀】自激振蕩像得病一樣,重在防御。可從以下方面入手。設計 PCB 時,盡量減小雜散電容,特別是CIN-。同一層的兩個相鄰節點間。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,很容易形成低通網絡,有可能引起電路穩定性下降。
     
    電路舉例,如下圖:
     
    如何避免和消除自激振蕩?(下)
     
    設計一個同相比例器,做成實際電路板后,就出現了三個雜散電容:CIN+、CIN-、COUT
     
    CIN+ 與信號源內阻 R S (或者前級放大電路的輸出電阻)組成了一個低通網絡,但是這個低通網絡不在反饋環內,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,而不會引起任何穩定性問題。
     
    CIN-與電阻 R 2 和 R 1 的并聯,共同組成了一個環路內的低通網絡。由于電阻 R 2 和 R 1 的并聯遠大于運放的輸出電阻,這導致非常小的 CIN- ,就可以產生巨大的作用。因此,在電路設計中降低運放負輸入端電容,就非常關鍵。
     
    COUT會在反饋環路中引入一個低通網絡,有可能引起環路的穩定性下降。
     
    注意敷銅:
     
    覆銅的本質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,都會引起系統不穩定。
     
    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,在它能夠實現的最小增益基礎上,適當提高閉環增益,可以有效提高系統穩定性。
     
    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 10 倍同相增益,用10kΩ 對 1kΩ,就沒有用 1KΩ 對 100Ω 好。
     
    3)盡量不要驅動大電容負載,必須驅動大電容負載的,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一個小電容Cf。
     
    如何避免和消除自激振蕩?(下)
     
    Rin、Cf網絡與R2、CIN-網絡構成相位補償。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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