负反馈电路——稳定性介绍

为什么负反馈放大器易受振荡影响?稳定的基本标准是什么?让我们来看看这些知识点吧。
这样您每次想要思考一般反馈结构时都不必切换页面,都可以参考下图,它是我们在第一篇文章中的图表:

没有免费午餐。 。 。

本系列之前的文章已经证明负反馈是一种简单,廉价的技术,可以让我们大大提高放大器电路的性能。起初看起来我们几乎什么都得不到,直到我们回想起所有这些好处都是以降低增益为代价的。然而,标准半导体器件可以容易地获得额外的增益,而且,我们通常不需要甚至不想要所有的增益。因此,我们似乎再次得到一些东西,然而除了最忠诚的乐观主义者之外,所有人都可能变得对此越来越怀疑了。当然,当我们添加看似有益的负反馈网络时,还有一些其他缺点,也许你会说,我们可能失去的其他东西。嗯,你的直觉对你有好处,因为如果我们不小心,我们将失去一些非常重要的东西:稳定性(stability)。
当您注意到放大器已变成振荡器时,负反馈的许多好处将很快被遗忘甚至被鄙视。但在某种程度上,灾难性的振荡并不是那么糟糕,因为问题是显而易见的。边际稳定性导致时域中出现过度振铃以及频域中出现峰值,可能是一个难以捉摸的麻烦制造者。更糟糕的是,边缘稳定的电路可能在测试期间起作用,但在放大器暴露于不同的操作或环境条件时则不会发生。因此,我们必须彻底了解为什么负反馈会导致振荡,以及如何确保放大器放大而不是振荡,这一点至关重要。

当负反馈变成正反馈时

正反馈可能导致振荡应该不足为奇,以下是基本过程:
1)应用输入信号
2)放大输入信号
3)将放大的输出反馈并将其添加到输入
4)输入现在变得更大,这个更大的输入被放大
5)放大的输出再次反馈并加到输入端
6)输入再次变大,再次放大,再次接收正反馈,依此类推。
显然,这是一种“不稳定”的情况 - 输出会迅速增加,直到受到某些外部条件(通常是电源电压)的限制。
但为什么负反馈不会导致振荡呢?通过输入减去输出,我们确保输入信号的增加总是导致通过反馈降低而实现平衡。只有一个问题:如果AC信号在被反馈并减去之前经历180°相移时,我们的负反馈就变成了正反馈,如下图所示:
在左侧图中,我们从正数中减去正数,从负数中减去负数。这确实是减法。在右侧图中,我们从正数中减去负数,从负数中减去正数,因此右图不再是负反馈了 - 正数和负数的幅度都在增加。

环路增益

直接确定负反馈电路是否稳定的量不是闭环增益或开环增益,而是环路增益,写为Aβ。回想一下我们的闭环增益公式:
该公式假设Aβ是正数(因为正Aβ意味着反馈是负的)。当Aβ不是正的时会发生什么?考虑Aβ= -1时的情况:
在这种情况下,无穷大的闭环增益对应于振荡器 - 即使输入为零,输出也会饱和。因此,稳定性分析中的临界量是环路增益。
必须对稳定性问题发生的原因以及如何预防这些问题形成坚实的概念性理解。这个问答顺序应该有助于解决一些突出的混淆点。
问:这个相变来自哪里?我没有要求放大器发生任何相移。
答:请记住,所有放大器最终都会在高频下显示增益下降。内部补偿运算放大器开始以非常低的频率滚降。在任何情况下,这种滚降都是由电路中某处的极点引起的,并且极点总是带来相移以及降低增益。
问:好的,我即使有相移。但我的所有运算放大器电路都适用于直流或低频应用。我的信号没有太大的相移,所以我不必担心稳定性,对吧?
A:好问题。不幸的是,您感兴趣的信号的频率在很大程度上是无关紧要的。实际信号总是有噪声,而这些噪声中的一些会产生高频分量。此外,任何电压瞬变都包含寄生高频能量。请记住,如果有足够的相移,我们就会处理正反馈 - 即再生反馈。即使这些不可避免的高频分量具有非常低的幅度,如果您的电路本身并不稳定,正反馈的再生特性将增加其幅度,直到振荡变得明显。
问:那是绝望的!放大器始终在高频下表现出相移,而信号总是受到高频成分的影响 - 那么电路如何稳定?
答:不要绝望 - 这是环路增益的来源。想想一般反馈结构:在反馈环路周围传播的任​​何信号都乘以A然后是β。这就是我们称Aβ为“环路(loop)”增益的原因。如果在相移达到180°的高频处Aβ小于1,则高频相移信号将逐渐消失,而不会再逐渐累积成主要振荡。确保你明白这一点。想象通过Aβ环路的小正弦波:如果Aβ大于1,则每次通过环路时正弦波将相互叠加,并且由于Aβ放大它们,它们的振幅逐渐增大。如果Aβ小于1,则信号将逐渐衰减为无意义,尽管它们在“减法”节点处相互加强,如下图所示:

稳定性标准

现在我们可以明确说明理论稳定性标准,其中“环路增益”是指开环增益的频率响应乘以反馈网络的频率响应(即环路增益=Aβ作为频率的函数分析):如果在环路增益的相移为180°的频率下环路增益的幅度小于1,则电路是稳定的。实际上,在此频率下环路增益必须明显小于1,以避免边际稳定性。

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