“单位增益稳定”有什么特别之处?

电器工程 运算放大器
2022-01-01 16:49:06

如运算放大器数据表中所述,就像这个由于振荡,我认为稳定性在更高的增益下是一个问题。单位增益有什么问题?

3个回答

稳定性不仅取决于增益,还取决于相位。如果反相放大器的相移为 180°,则总相移为 360°,并且满足巴克豪森振荡标准之一。

即使外部电路是最佳的,放大器的稳定能力也不同。为了评估特定放大器类型的稳定性潜力,开环放大器的“增益与频率”和“相位与频率”都需要图形数据。如果相位响应在增益高于 1 的频率处表现出 !180E,则负反馈将变为正反馈,放大器实际上将维持振荡。即使相位滞后小于 !180E 并且没有持续振荡,如果所有频率的相位响应不是“充分小于”-180°,也会有过冲和由外部噪声源触发的振荡突发的可能性其中增益高于单位。“足够少” 相位裕度如果相位响应为 -135°,则相位裕度为 45°(“小于”-180° 的量)。实际上,评估稳定性电位的相关相位裕度还必须包括反馈电路的相位响应。当该组合相位裕度为 45° 或更大时,放大器非常稳定。45° 数字是一个“经验法则”值,更大的相位裕度将产生更好的稳定性和更少的过冲。

通常,但不总是,最低相位裕度位于增益高于 1 的最高 频率处;因为总是有一些与频率无关的延迟,这代表更高频率的更多度数。在单位开环增益的较高频率下具有 45E 相位裕度的放大器被称为“单位增益稳定”。可选地,大多数放大器类型可以通过牺牲转换速率或高频噪声来补偿单位增益稳定性。如果稳定性被认为是高优先级,则必须进行权衡。单位增益稳定意味着在稳定性通常最差的最低闭环增益下稳定运行。

(从这里

延伸阅读
为什么 Unity 反馈最难稳定?

单位增益是通过向高增益放大器应用 100% 反馈来实现的。输入和输出之间会有相移,当相移等于或超过 180 度时,在开环增益大于 1 的任何频率(实际上总是在一个频率范围内)。

单位增益高反馈情况大约是最难避免具有 180 度相移的某些频率(通常在响应范围的顶部)的情况。

实际上,“仅小于 180 度”还不够好,因为接近振荡的放大器会“振铃”并在快速边沿或具有较高频率分量的信号上产生不希望的瞬态响应。因此,需要一定程度的“相位裕度”,以便在可能遇到的所有频率下,整个系统的相移都非常清晰,不会出现 180 度,以使放大器远离开始表现不佳的区域。

有用的 Jensen AN001 - 关于稳定运算放大器的一些技巧

负反馈使放大器稳定,而正反馈使放大器不稳定。

由于寄生电阻和电容,放大器不可避免地会充当低通滤波器。这意味着除了衰减之外还有相移。放大器的级数越多,相移的潜力就越大。

具有两个或更多级的放大器(即几乎所有运算放大器)的频率响应将包含多个中断频率。围绕每个中断频率,相移增加。在第一个截止频率之后有大约 90 度的相移,在第二个截止频率之后有大约 180 度的相移(依此类推,但我们真的只关心前两个)。

180 度相移将负反馈转变为正反馈。那是个问题。如果该点反馈路径的“环路增益”为 1 或更多,则放大器将振荡。

因此,我们必须设计我们的放大器,使反馈回路中的增益在达到第二个中断频率之前下降到小于 1。运算放大器制造商通过故意向其放大器添加电容(称为“补偿”)来降低第一个断点的频率,从而降低第二个断点的增益。当然,这会降低我们放大器的带宽。

但反馈环路的增益不仅取决于放大器,还取决于反馈分压器。放大器的闭环增益越高,反馈回路的增益就越低。非反相单位增益放大器是最坏的情况,因为它将 100% 的输出反馈到输入。所以低增益放大器比高增益放大器需要更大的补偿电容。

因此,高速运算放大器制造商为您提供了选择。有时这是通过为低增益和高增益应用配备不同型号的放大器来实现的。有时(例如在 AD8021 上)这是通过在外部安装补偿电容器来完成的。