分析运算放大器的频率特性及其稳定性问题，综述频率补偿的一般措施。

Question

如题所述

Answer 1

运算放大器实际使用接成负反馈形式时，有时会产生自激振荡现象，这将影响正常的使用。这负反馈有180°相位变化。运算放大器的频率特性是指输出的幅度和相位随输入频率变化而变化的性质。如图1所示，在低频时幅度和相位都保持不变，当频率升高时，幅度开始下降，同时发生相移。这是由于运放中的结点有寄生电容，当频率低时寄生电容不明显。当频率升高时寄生电容和结点输出电阻就构成RC滤波器，造成输出幅度下降，相位移动，这就称为运放的极点。运放一般具有2个极点以上，而每个极点能产生90°的相移。每个极点贡献－20dB的幅度变化。
如图2所示三级运放的频率特性图可知，运放有可能在幅度在大于0dB（即增益大于1）时，已经产生180°相移，加上负反馈的180°相移，就有了360°的相移，负反馈成了正反馈，且增益大于1。由巴克豪森的振荡判据可知，运放产生了振荡，不能正常使用。
为防止运放同时满足巴克豪森的振荡的两个条件，需要运放在幅度下降到0dB前相移小于180°。这通常有两种方法。一是，压低第一极点的频率，从而让幅度下降到0dB时的频率降低。当相移达到180°时，幅度增益小于1，也就是增益降为1时，相移没有达到180°，不能产生振荡。压低第一极点的频率的同时也降低了运放的带宽，所以这是以带宽换取相位裕度。实现方法是在主极点处并联接一个大电容到地，让主极点向原点靠近。实际应用是用密勒电容来代替这个大电容，密勒电容的补偿结构避免使用大电容，节省芯片面积，同时密勒电容接法是电压负反馈，降低了输出电阻，从而增大了输出极点。所以密勒补偿降低了第一极点，同时增大第二极点。比并联接一个大电容到地的补偿方法提供更大的带宽。二是，产生一个零点去抵消第二极点，极点产生相位延后，而零点具有相位超前的作用，产生相位补偿。实现方法是在第一极点后接电阻串联电容到地的电路。由电阻电容串联得 ，产生了一个零点，通过调整电阻阻值让其等于第二极点，从而抵消第二极点。同时也降低了第一极点。实现频率补偿。为了防止运放在应用时产生振荡，还需要预留一定的相位裕度，同时由二阶系统响应测试知道，相位裕度至少要45°，最好是60°。通过上面两种方法将增益降为0dB时，相移控制在135°（最好是120°）以内就保证运放稳定工作，实现频率补偿。

Answer 2

放大器的频率特性包括两个方面：幅度频率特性和相位频率特性。因放大电路对不同频率成分信号的增益不同而导致的失真，称为幅频失真；因放大电路对不同频率成分信号的相移而导致的失真称为相频失真。这两种失真都是线性失真。电路中的电抗器件是影响放大器频率响应的主要因素，当信号频率较高的时候，主要是耦合电容、旁路电容起作用，当信号频率较低时，主要是PN结电容起作用。对了高通电路，频率越低，衰减越大，相移越大；对于低通电路，频率越高，衰减越大，相移越大，常用波特图来表示运放的频率特性。
几乎在所有的放大电路中都要求运放“无条件稳定”，也就是说对任何围绕运放所施加的阻性负反馈值，运放都不应该产生震荡。运放的稳定性就是要运放的增益裕度和相位裕度满足要求，
频率补偿是在继承运放内部或者外部电路中接入不同的补偿电路来改变它的频率响应特性，破坏其自激振荡的条件。为了保证其稳定性，电路中还应具有一定的稳定富裕度。单片运放中最简单最常用的方法是通过增加补偿电容引入主极点来实现。简单补偿电容是将一个电容并接在集成运放的某一级，使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降低，以致增益随频率始终按照-20dB/十倍频的斜率下降直至0dB。第二种方法是利用米勒效应补偿。米勒效应补偿可使补偿电容的容量大大减小，将电容C跨接在某级放大电路的输入和输出之间。