负反馈放大器不稳定,原因是多种多样的。能够找出尽可能多的不稳定因素,进行分析、分类,会对整个系统的设计有帮助,也会针对原因进行补偿。
1 负反馈放大器振荡的原因通俗解释
想起我有个中学的同学,最后成为公交车司机的故事。
当时他直接学大巴,学车教练我认识,也是大巴司机,讲过我这位同学开始开车上路时,在路上“画龙”。
意思就是车不走直路,左右摇摆个不停。
是什么原因能产生“画龙”呢?
比如发现车向右跑偏了,那么就左打方向,没想到矫枉过正,左打过多,结果又向左偏了,然后赶快再向右打方向,打的过大又造成右偏,如此反复,就形成一个来回弯曲的曲线,而且弯曲的幅度还不减少,这就是振荡了。
究其原因有几个:
一个是感官迟钝,发现跑偏时其实偏离已经很大;
二是反应迟钝,即便发现了偏离,但没有及时进行纠正;
三是纠偏动作过大;
四是纠偏速度太快;
对比负反馈放大器,第一个问题可能因为检测的非线性过大、有死区,比如普通光耦如果直接用电压驱动,那就有死区,所以要加偏置,形成静态工作点。
第二个问题常见,其实就是相移,或延迟,这是放大器振荡最主要的原因。
第三个问题就是放大倍数太大了,环路增益太高,造成过调节。
那么为什么不把放大倍数做小一些?其实减小放大倍数是常用的一种稳定措施,当然倍数太小了也不行,会产生稳态误差,详见后面的名词解释:环路增益。
比如开车的时候方向已经跑偏,但你的放大倍数不够,使得反过来转动方向盘的角度不足,那就不能完全纠正过来。
放大倍数大也不是,小也不是,到底如何做呢?
第四个问题,我们可以理解为车不理想,方向盘转动后轮子没有马上跟着转,这样开车的人心急继续转动方向盘,等车轮反应过来后,就偏动作就太大了,造成了反向偏离,由此振荡。所以,对于慢速响应系统,调节的速度也一定要慢下来。上述给运放加电容措施,实际上也是同时放慢了调节速度,因此实际上问题三和四是密切相关的,也可以说是用牺牲速度来换取稳定,但碰到这种反应慢的系统,负反馈放大器也没有什么好的办法,除了引入微分环节外(详见后面PID控制)。
2 不稳定系统的类型
不稳定系统,是指被控制对象比较复杂或比较特别,或对控制有某些要求(过冲、速度等),采用普通控制放大器会产生振荡,必须进行补偿,才能保持稳定。
积分型
比如用力量控制速度开车,本来速度维持在50公里,油门开度是20%,要提高到60公里,那么策略是加大油门到50%,过一段时间速度接近或达到后,再把油门关小到25%。
不稳定的情况,油门给的过大,已经提高到60公里了才收油,造成车速超过60形成过冲,此时再缩小油门,结果又造成车速过低,再加油,这样形成振荡。
积分型在电路里广泛存在,比如一个RC滤波。数学上看,积分型就是一个一阶系统,只包含一个储能元件比如电容或电感,可以引起最多90度相移。
二次积分型
比如用力量移动一个车,开始静止,首先要加大油门得到速度,速度积分得到位置/距离,快要接近目标时刹车(负输出)。
不稳定的情况,开车速度太快,车已接近目标才开始刹车,结果刹不住,走过了。这样还要开倒车,但倒车达到目标了才刹车,就也倒多了,然后还要再向前开,结果又超了,如此反复震荡。
2次积分型实际上就是一个二阶系统,当然一个二阶系统还有别的形式,比如LC滤波器,总之,就是二个独立的储能元件,这在电路中也是广泛存在的。二阶系统最多引起180度相移,这足以让整个系统振荡。
延时型
命令下去后,暂时没有反应,结果下第二道命令。没想到有延迟,结果造成过量调节,再下反命令,如此振荡。
对于一个10ms周期的信号,延时1ms不算什么,只有1/10周期,也就是36度。但对于2ms周期的信号,延时1ms就是半个周期了,也就是相当于180度,不得了。对于1ms或更高频率的信号,1ms的延时相当于360度甚至更大的相移,此时如果环路增益>1,必振无疑。
3 不稳定的具体原因
负反馈放大器本身有180度相移,运放自身在常见频率范围内有85度到90度的相移,再加一个RC极点会有85度到89.99度的相移,这样加起来,就非常接近360度了,但就是不到360度,因此,为了能达到360度引起振荡,除了上述原因外,仍需额外因素。
常见的引起负反馈放大器不稳定的原因包括:
1、感性负载
线圈负载,电磁铁,电感,较长的引线
2、容性负载
长线电缆、滤波电容、RC滤波。
3、容性输入
输入电容大,错误“滤波”。
4、LC滤波
这种在某些开关电源里常见。
5、RR输出,LDO
轨到轨输出和低压差稳压,都是为了提高电源利用率为目标,压降只有一个饱和电压,这样就是势必采取共射或共源电路,因此具有电压放大,这样势必让环路其余部分工作在比单位增益还要低的增益下,使得运放的高频主极点浮出0dB线,成为不稳定因素。
6、两级或多级放大
不稳定原因之一同上,多级放大器都具备电压增益的话,环路增益太高;
另一个原因在于每个放大器都具有相移,合起来相位就更大。
7、系统延迟
延迟等价为增益不变、波形不变,但相移严重。
例如1ms的延迟,对于10Hz相位滞后只有3.6度,对于100Hz相位滞后为36度,但对于1000Hz相位滞后就是360度了。回头看,300Hz滞后108度,此时若增益合适,就完全可能振荡起来。不仅如此,对于随后每增加1000Hz或正数倍,都会让相位达到360度的倍数,因此产生多个可能的振荡频率点。
4 针对不稳定原因,稳定性放大器设计思路
1、把稳定性作为设计工作的一部分,先期加以考虑,而不是等到最后电路出现不稳定因素后才去补偿;
2、即便如此,也很可能最终电路出现不稳定情况,因此电路板要留有常用补偿元件位置和空余空间;
3、参考经典、成熟的电路;
4、尽可能进行电路仿真,并改变参数成为最坏可能,进行瞬态分析(比如阶跃信号响应)和交流分析(比如Bode图)
5、极端参数下的考虑和仿真,比如最大电流、空载、极端输出电压、高温等场合,负载为感性或容性。
6、快速响应系统,要注重布线、杂散参数影响,大电流高频部分做好隔离和屏蔽。
7、元件采用较高速度的。由于频率增加使得环路增益降低到1以后,一切都变得不重要了。采用高速器,就可以在这个频率之前认为是理想的、不增添额外相移,因此不会惹麻烦。到底多高速度算高,要看对系统响应的要求,慢速系统的场合(毫秒或秒级),那大多数元器件都会满足“高速”的要求。
8、慎重采用功率MOS管。MOS管其实可以算成高速器件,没有存储效应,轻易ns级响应,但问题是栅极电容和密勒电容比较大,使得很难驱动,形成较大的相移。当然,一旦驱动速度上去了,是没有问题的。
user151383853:
应该从增益, 频率特性和相位裕度等角度分析.