怎样消除集成运算放大器的自激

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用集成运算放大器安装高音质扩音机,虽然优点很多,但集成块容易产生自激是一个比较头痛的问题。产生这种故障时,输出信号严重失真,并使运放块输出端不能调零。自激严重时还会烧坏管子。下面谈谈在业余条件下如何消除自激。

自激振荡是怎样产生的?

要想消除自激振荡,应首先弄清产生自激的原因。我们知道,运算放大器的内部电路是由多级直流放大器组成的。由于每一级放大器的输出端和下一级放大器的输入端之间存在着输出阻抗、输入阻抗及分布电容,这样在级间就形成了一个R—C相移网络。信号每通过一节R—C网络,就产生一个附加相移。当附加相移积累到180°时,加上原运算放大器用于扩音机时信号多从反相端输入,输出端和输入端信号是反相的(信号相位也相差180°),就会使总相移达到360°。这个信号反馈到输入端,如果在此频率下放大倍数又比较大,就会满足振荡条件,引起自激。

怎样准确判断有无自激振荡?

业余爱好者安装好扩音机以后,对于有没有自激振荡产生,心里可能没有底。下面介绍几个判断方法。

如有示波器,可用示波器观察扩音机输出端的波形。电路如果有自激振荡,在扩音机没有输入信号的时候,示波器的屏幕上显示出一条水平粗带(如图1左);在有信号的情况下,则表现为在音频信号的波形上还叠加有频率较高的振荡波,如图1中和图1右。

图1
图1 🔍原图 (531×181)

如果没有示波器,只有一块万用表,也可以判断有无自激。当将运算放大器按实际应用线路接好以后,接通电源,在不输入信号的条件下,用万用表的交流电压档测量运放块的输出端有无电压。如果输出端有交流电压,则说明运放块存在自激振荡。振荡电压幅度越大,输出的电压也越高。一般说来,如果电路存在自激振荡,当改变补偿电路元件的数值时,输出电压会有明显地变化。另一方面,此时即使将扩音机的音量电位器旋至最小,扩音机的输出端仍会有交流电压输出。当接上扬声器时,就会听到有很大的噪音。

消除自激振荡的几种方法

消除自激振荡的方法是在电路中加校正网络。一般是在集成块的有关管脚上并联R—C串联网络,或单独并联一个电容。其目的是使电路的幅频特性和相频特性发生变化,以破坏集成块自激的条件。以集成电路8FC2I为例,其补偿方法如图2。它是在放大器第二级晶体管的b、c极之间加R-C补偿网络,这种补偿网络相当于电压并联负反馈。许多运算放大器都采用这种补偿方法,并且将补偿元件接在内电路的输入级或第二放大级, 以使补偿效果比较明显。

图2
图2 🔍原图 (245×248)

也有的R—C补偿网络选择在输出阻抗和输入阻抗比较高的放大器之间,比如8FC5就是采用的这种补偿方法。它是在第二放大级和输出级之间加一组对地的R—C补偿网络,如图3。

图3
图3 🔍原图 (258×221)

以上几种补偿都属于滞后补偿。其原理是补偿网络使信号在自激频率点产生了一滞后的相位移,于是自激点的相位条件被破坏(不再满足相移360°,而是变得相移小于360°),就不再产生自激了。此时补偿网络使运放电路的幅频特性产生一个新的转折频率(称为极点),这个极点低于原来的自激频率点,因此补偿以后会使运放电路的频带变窄。

在一些高速宽带运算放大器中,通常采用如图4所示将补偿电容加在信号传输通道上的办法。比如8FC6电路的C\(_{1}\)和C5补偿电容就是采用的这种办法。这种办法叫做超前补偿。其原理是补偿网络使信号在原来的自激频率处产生了一个超前的相位移,于是破坏了自激的相位条件,使自激消除。这种补偿办法的好处是可以展宽运放电路的频带,比滞后补偿好。缺点是补偿网络受分布参数的影响较大,因而从电路的稳定性和补偿参数的一致性来说,又没有滞后补偿办法好。为了兼顾带宽和稳定性,可综合采用上述二种补偿方法。

图4
图4 🔍原图 (249×127)

一般集成运放电路产生自激振荡的频率都比较高,但有时也会出现低频振荡。为什么会产生低频振荡呢?这是由于许多个运算放大器共用一组直流电源,通过电源内阻会产生一些不需要的耦合,而引起低频自激。消除办法是改善电源的滤波效果,降低电源的内阻。或者如图5所示,在每个运放块的电源端加旁路电容。

图5
图5 🔍原图 (251×262)

补偿网络的位置随运放块内部线路的不同而不同,使用时要视集成块的品种来决定补偿方法。

补偿元件数值的选取

因为补偿网络对放大器的频率响应影响很大,补偿电容数值越大,放大器的频带越窄,所以在实际应用中,应根据具体情况来确定每个元件的最佳值,以使所加的频率补偿电路,既能完全消除自激振荡,又不使频带过窄。

做直流放大器时,对频带宽度没有要求,只要求能完全消除自激振荡,并且能稳定地工作就可以了。因此这时可选用较大的补偿电容;做交流信号放大器时(如扩音机),对频带宽度有要求;就必须根据具体使用条件和运放电路的品种,严格选择补偿网络的元件数值。以8FC4电路为例,如果使用该集成电路连接成一个增益为20倍的交流放大器,补偿电容取22微微法,这时的频带宽度则只有12千赫;如果将补偿电容改为5.1微微法,这时放大器既无自激振荡,频带宽度又可以达到60千赫以上。在实际情况下,除应根据实际工作频率的要求来选择运放块的品种外,在设计补偿网络的元件数值时,应在没有自激振荡的前提下,尽量减小补偿电容值,增大补偿电阻值,并使运放电路的输出端负载最好不是容性负载,这样有利于展宽频带。

图6
图6 🔍原图 (848×1565)

图6给出了八七八厂生产的几种集成运算放大器补偿元件的数值,图中给出的数值只供参考,实际使用时可根据情况做适当改动。表中的K\(_{C}\)是开环放大倍数。(王春华)