自激振荡的产生原因分析

你是否遇到过这样的情况：在KTV唱歌时，当麦克风位置不合适或者音量过大时，喇叭中会出现一种非常难听的啸叫，捂住麦克风、赶紧降低功放音量、或者将麦克风转个方向，都是我们常用的解决方法。这个难听的啸叫，其实就是放大器的自激振荡。

理论上说，自激振荡是指当放大器加电后，还没有加载输入信号，输出端就出现了高频的类似于正弦波一样的波形。

实际中，还有另外一种情况，也属于自激振荡。当输入某些信号时，输出是正常的，一旦改变输入信号幅度或者频率到某些特定值，输出波形在原基础上会叠加更高频率的振荡信号。

自激振荡的条件有以下两点：

1.假设运放的附加相移为 φ A ，反馈网络的附加相移为 φ F ，当φ A +φ F =-180°，原本的负反馈，就会演变成正反馈。如下示意图:

2.整个环路增益必须大于1，才能使得很微小的信号一旦在环路中产生，就会越来越大。

以运放 ADA4899-1 为例，其开环幅频特性、相频特性下图所示。为了分析简化，我们假设运放组成了一个电压跟随器，即反馈系数F=1，φ F=0°。

以下两种方法判定：

1.假定相移φ A=-180°，在图中可以找到相频特性对应点为700MHz，在此频率下对应的幅频特性曲线为-3dB，增益环路<1，故不满足幅度条件，不会发生自激振荡。

2.假定增益为1，即0dB，找到对应频率为310MHz，此时的相移为-123°其相移绝对值< 180°，因此不可能产生自激振荡。此相移和-180°的差值，称为相位裕度，为 57°。

这说明，ADA48990-1，在设计成跟随器，且电路布线合乎规则时，是不会发生自激振荡的。

增益裕度和相位裕度理解:

相位裕度定义：在运放开环增益和开环相移图中，当运放的开环增益为 1 时，开环相移值减去-180°得到的数值。

增益裕度定义：在运放开环增益和开环相移图中，当运放的开环相移为-180°时，增益dB值取负，或者是增益值的倒数。

理解：

1.相位裕度和增益裕度越大，说明放大器越容易稳定；

2.相位裕度可以看作是系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化，相位裕度越大，系统越稳定，但同时时间响应速度减慢了，因此必须要有一个比较合适的相位裕度。一般在45°左右比较合适。

3. 我们需要注意的是，所有运放，在任何频率下，都只存在滞后相移，即相移为负值。在极低频率处，相移接近于 0 且小于 0，随着频率的上升，很快相移就进入到稳定的-90 度，然后走向-180 度甚至-270 度。

自激振荡像得病一样，重在防御。可从以下方面入手。

1）设计 PCB 时，尽量减小杂散电容，特别是CIN-。下图进行说明：

同一层的两个相邻节点间。比如某根信号线，和周边的覆铜 GND 之间，以及和周边的焊点之间有杂散电容C1；

不同层上下之间。比如元件层的线，和焊接层的大面积 GND 之间，如图中 C2；

一般的，杂散电容可以达到 pF 数量级。这是不可忽视的。这些杂散电容和电路中的电阻，很容易形成低通网络，有可能引起电路稳定性下降。

电路举例，如下图：

设计一个同相比例器，做成实际电路板后，就出现了三个杂散电容：CIN+、CIN-、COUT

CIN+ 与信号源内阻 R S （或者前级放大电路的输出电阻）组成了一个低通网络，但是这个低通网络不在反馈环内，它只会影响不同频率输入信号到达放大电路输入端的比率，进而影响放大电路的带宽，而不会引起任何稳定性问题。

CIN-与电阻 R 2 和 R 1 的并联，共同组成了一个环路内的低通网络。由于电阻 R 2 和 R 1 的并联远大于运放的输出电阻，这导致非常小的 CIN- ，就可以产生巨大的作用。因此，在电路设计中降低运放负输入端电容，就非常关键。

COUT会在反馈环路中引入一个低通网络，有可能引起环路的稳定性下降。

注意敷铜：

覆铜的本质目的是增大地线面积，进而减小地线电阻和电感。但是覆铜操作也会带来两个问题：

第一，它与同层信号线之间就形成了很长很长的近距离间隙，也就是很大的电容C1。
第二，它与其他层的信号线形成了层间电容C 2 。这些杂散电容，都会引起系统不稳定。

如图：

运放负输入脚及其连接线的下方，绝对不要覆铜，或者覆铜后实施挖空操作。

运放负输入脚、输出脚及其连接线的同层周边，一定要与覆铜保持足够大的间距。建议此间距要大于 20mil。

2）选择合适的增益和合适的增益电阻
对任何一个选定的运放，在它能够实现的最小增益基础上，适当提高闭环增益，可以有效提高系统稳定性。

增益电阻尽量选择小的，以降低 CIN-的作用。

因为CIN-的旁路作用使放大器的高频响应变差，其频带的上限频率约为：fH=1／(2πR2CIN-)，若R2的阻值较大，上限频率严重下降，同时引入的滞后相位可能引起振荡。理论上，如果要实现 10 倍同相增益，用10kΩ 对 1kΩ，就没有用 1KΩ 对 100Ω 好。

3）尽量不要驱动大电容负载，必须驱动大电容负载的，使用裕度大的运放。一般可在运放输出端串联一个几十欧姆的小电阻起隔离作用。

4 ) 最常见的做法是在反馈电阻中并联一个小电容Cf。

Rin、Cf网络与R2、CIN-网络构成相位补偿。Rin、Cf将引起输出电压相位超前，由于不能准确知道CIN-的值，所以相位超前量与滞后量不可能得到完全补偿，一般是采用可变电容Cf，用实验和调整Cf的方法使附加相移最小。若R2=10kΩ，Cf的典型值丝边3～10pF。对于电压跟随器而言，其Cf值可以稍大一些。

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