【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第28课时_运放稳定性 2

电赛小编

关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。

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本节文字课程相关视频：
1. 相位补偿
2. 比较器与正反馈

1.相位补偿
相位补偿这个词我们并不陌生，在示波器探头上，就有一个专门的相位补偿旋钮。但是，真正明白为什么要相位补偿的却不多。
如图1所示为未经相位补偿的示波器输入级电路：
1) R₁和R₂构成1/10分压电路，C_in为示波器输入的等效输入电容，为了便于观察结果，输入信号V_G1为1kHz/2V_PP的方波（也就是通常示波器的自检信号）。
2) 显然R₁和C_in会构成低通滤波器。瞬时现象仿真表明，V_F1的波形不仅仅是缩小了10倍，而且方波的边沿变成了缓慢上升。

                                                                             图1 欠补偿电路仿真

如图2所示为经过相位补偿的示波器输入级电路：
1) C_C为补偿电容，实际应为可调电容。R₁、R₂、C_C、C_in共同构成阻容分压电路。根据阻抗原理，阻抗比的计算为：
（1）
2) 当满足
（2）
时，式1可化简为式3，也就是阻抗比与容抗无关（完全补偿）。
（3）
3) 式3的条件可改写为式4，即完全补偿时电容比应等于电阻反比。
（4）
4) 瞬时现象仿真表明，当C_c为6pF时，VF1波形没有延迟，这就实现了完全相位补偿。

                                                                      图2 完全相位补偿仿真


5) 如果继续增大可调电容，则会发生过补偿的情形，如图3所示：

                                                                      图3 相位过补偿仿真


6) 除了通过阻抗计算定量分析补偿的原理，也可以将C_C和R₂看成高通滤波器，补偿由R1和Cin构成的低通滤波器的延迟，来定性分析补偿原理。
如图4所示为实际示波器探头补偿的三种情况，通道1为欠补偿，通道2为完全补偿，通道3为过补偿。

图4 示波器探头补偿波形图

运放电路中也可以使用相位补偿。如图5所示为同相比例放大电路。
1) C₁为反相输入端等效电容，所引入的延迟将导致运放输出产生过冲，如图6所示。
2) C₂为相位补偿电容，按照完全补偿计算，电容值应为500pF。SW开关闭合后，补偿电容引入，输出信号的过冲消失，如图7所示。

图5 运放相位补偿电路

图6 无相位补偿时的波形

图7 相位补偿后的波形

2.比较器与正反馈
模拟比较器的原理看似很简单，但是实际用起来也会出各种问题。其中，高速比较器使用时特别容易发生振荡。
用TINA仿真直接仿真模拟比较器的振荡现象比较困难，原因是TINA中电源和信号源性能太好，与实际情况不符。如图8所示，通过两个信号源构造出一个包含有噪声的正弦信号，再进行比较器振荡仿真。
1) VG1信号为3V_PP/50Hz正弦波，VG2信号为300mV_PP/1kHz正弦波，合成信号后的信号VF2相当于夹杂了300mV的噪声，输入比较器反相输入端。
2) 比较器U1的同相输入端电压为0V，所以图8电路就是个过零电压比较器。

图8 比较器振荡现象仿真

3) 图9所示为瞬时现象仿真波形。可以看到，在VF2信号过零点位置，由于噪声的影响，比较器输出信号VF1的电平翻转了几次。

图9 比较器振荡电路的瞬时现象仿真

4) 比较器振荡的原因是由于噪声（信号噪声和电源噪声）的影响，在比较阈值附近会反复多次切换“比较结果”，从而引发振荡。输入信号变化越缓慢，比较器响应速度越快，振荡越容易发生。

我们在比较器芯片的说明书中寻找振荡解决方案。如图10所示为高速比较器TLV3501说明书中的推荐应用电路。
1) 2.2μF和0.1μF的去耦电容可以尽量减小比较器的供电噪声。
2) R₁和R₂构成一个非常“微弱”的正反馈，正是这个正反馈构成的滞回比较器能够消除振荡。
3) 当V_IN刚超过u_P电压时，V_OUT输出低电平，这降导致u_P电压降低，这时即使V_IN由于噪声波动电压有所下降时，也能保证高于u_P电压，比较器的输出逻辑保持不变。
4) 当V_IN刚低于u_P电压时，V_OUT输出高电平，这降导致u_P电压升高，这时即使V_IN由于噪声波动电压有所上升时，也能保证低于u_P电压，比较器的输出逻辑保持不变。

图10 TLV3501比较器的推荐电路

如图11所示，在TINA仿真中加入正反馈电阻R₄，仿真波形如图12所示，振荡被克服。

图11 引入正反馈的比较器电路

图12 带正反馈的比较器瞬时现象仿真波形

欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答：
以下说法是否正确：
1、示波器探头在使用前需要进行相位补偿。
2、相位补偿电容越大越好。
3、比较器不会发生振荡。
4、正反馈可以消除比较器的振荡。

选择题：
5、容易发生比较器振荡的情形是？
A.电源去耦不良
B.输入信号存在高频干扰        
C.比较器压摆率高        
D.输入信号变化缓慢

参考答案：
1 正确
2 错误
3 错误
4 正确
5 ABCD

Vera

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