标签: 自激振荡

运放是作为最通用的模拟器件，广泛用于信号变换调理、 ADC 采样前端、电源电路等场合中。虽然运放外围电路简单，不过在使用过程中还是有很多需要注意的地方。 1、 注意输入电压是否超限 图 1 是 ADI 的 OP07 数据表中的输入电气特性的一部分，可以看到在电源电压± 15V 的条件下，输入电压的范围是± 13.5V ，如果输入电压超出范围，那么运放就会工作不正常，出现一些意料不到的情况。 而有一些运放标注的不是输入电压范围，而是共模输入电压范围，如图 1-2 是 TI 的 TLC2272 数据表的一部分，在单电源 +5V 的条件下，共模输入范围是 0-3.5V 。其实由于运放正常工作时，同相端和反相端输入电压基本是一致的（虚短虚断），所以“输入电压范围”与“共模输入电压范围”都是一样的意思。 图 1-1 图 1-2 2、 不要在运放输出直接并接电容 在直流信号放大电路中，有时候为了降低噪声，直接在运放输出并接去耦电容（如图 2-1 ）。虽然放大的是直流信号，但是这样做是很不安全的。当有一个阶跃信号输入或者上电瞬间，运放输出电流会比较大，而且电容会改变环路的相位特性，导致电路自激振荡，这是我们不愿意看到的。 正确的去耦电容应该要组成 RC 电路，就是在运放的输出端先串入一个电阻，然后再并接去耦电容（如图 2-2 ）。这样做可以大大削减运放输出瞬间电流，也不会影响环路的相位特性，可以避免振荡。 图 2-1 图 2-2 3、 不要在放大电路反馈回路并接电容 如图 3-1 所示，同样是一个用于直流信号放大的电路，为了去耦，不小心把电容并接到了反馈回路，反馈信号的相位发生了改变，很容易就会发生振荡。所以，在放大电路中，反馈回路不能加入任何影响信号相位的电路。由此延伸至稳压电源电路，如图 3-2 ，并接在反馈脚的 C3 是错误的。为了降低纹波，可以把 C3 与 R1 并联，适当增大纹波的负反馈作用，抑制输出纹波。 图 3-1 图 3-2 4、 注意运放的输出摆幅 任何运放都不可能是理想运放，输出电压都不可能达到电源电压，一般基于 MOS 的运放都是轨对轨运放，在空载情况下输出可以达到电源电压，但是输出都会带一定的负载，负载越大，输出降落越多。基于三极管的运放输出幅度的相对值更小，有的运放输出幅度比电源电压要小 2~6V ，比如 NE5532 。图 4-1 就是 TI 的 TLC2272 在 +5V 供电的输出特性，它属于轨对轨运放，如果用该器件作为 ADC 采样的前级放大（如图 4-2 ），单电源 +5V 供电，那么当输入接近 0V 的时候，输入和输出变得非线性的了。解决的方法是引入负电源，比如在 4 脚加入 -1V 的负电源，这样在整个输入范围内，输出与输入都是线性的了。 图 4-1 图 4-2   5、 注意反馈回路的 Layout 反馈回路的元器件必须要靠近运放，而且 PCB 走线要尽量短，同时要尽量避开数字信号、晶振等干扰源。反馈回路的布局布线不合理，则会容易引入噪声，严重会导致自激振荡。 6、 要重视电源滤波 运放的电源滤波不容忽视，电源的好坏直接影响输出。特别是对于高速运放，电源纹波对运放输出干扰很大，弄不好就会变成自激振荡。所以最好的运放滤波是在运放的电源脚旁边加一个 0.1uF 的去耦电容和一个几十 uF 的钽电容，或者再串接一个小电感或者磁珠，效果会更好。

本文介绍了高频小信号LC谐振放大器的设计思路与具体电路实现，主要由衰减网络、LC谐振放大、电压跟随和电源四大模块组成。衰减器采用电阻式π型网络实现；LC谐振放大中选用功耗小的2N2222型三极管进行两级放大，LC谐振部分为放大器的负载；电压跟随采用集成运放OPA355，以实现电路阻抗的良好匹配；为了给放大器工作提供稳压电源，采用LM317稳压芯片设计了一个电源。经测试，放大器低功耗、高增益，具有良好的选择性。 0引言 高频小信号放大器是放大中心频率在几百兆赫兹到几百千兆赫兹的高频小信号的放大器。它在通信电子系统中有着重要的用途，通常应用在广播、电视、通信、雷达等无线通信的前段接收机中，其对接收机的灵敏度、抗干扰性和选择性等整机指标有关键性影响。 高频小信号放大的理论比较简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。因此，电路设计时，需考虑到电源滤波、退偶电路、级间耦合电路、阻抗匹配电路及匹配电路对整体电路的影响。 本文需设计并制作一个低功耗LC谐振放大器，要求满足的条件： （1）谐振频率f0=12MHz，允许偏差±100kHz； （2）增益不小于40dB； （3）输入电阻Rin=50Ω； （4）在放大器的输入端插入一个40dB固定衰减器，特性阻抗50Ω。为了便于放大器的设计，采用了NI Multisim电路仿真软件进行辅助设计。 1系统方案设计 高频小信号放大器主要由衰减网络模块、LC谐振放大模块、电压跟随器模块和电源模块组成。工作流程为：信号经衰减网络后得到一个微弱信号，通过电压跟随器进行阻抗匹配，再输入给一级放大电路，放大后的信号在通过电压放大器进行阻抗匹配的同时也能起到放大的作用，再通过二级放大电路，从而实现高增益、低损耗的LC谐振放大功能。系统框图如图一所示： 【 分页导航 】 第1页：系统方案设计 第2页：模块分析 第3页：电路仿真与测试 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 2模块分析 2.1衰减网络模块 衰减器是一种在指定的频率范围内引入一预定衰减的电路，一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。经典的衰减器有π型、T型和桥型衰减器，衰减效果较好，但是对于高频小信号，无源衰减网络选择π型或T型网络更加适合。 本文选择π型电阻型网络做衰减，如图二所示： 2.2 LC谐振放大模块 LC谐振放大器由LC谐振回路和放大器两部分组成，可以用于选出有用频率信号并加以放大。谐振部分采用经典的无源LC并联谐振电路，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的，电路简单稳定。 本模块的另一部分就是放大，也是关键的一步。本设计要求使用3.6V的稳压电源，功耗不超过360mW的放大器。根据要求，本文选用了功耗较小的2N2222三极管，用于放大高频小信号，并通过两级放大实现增益的要求。放大电路如图三所示： 2.3电压跟随模块 电压跟随器是输出电压与输入电压相同的一种放大器，就是放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点是输入阻抗高而输出阻抗低，在电路中可以起到缓冲、隔离、提高带载能力和阻抗匹配的作用。本文采用电压跟随器很方便地设计了在两级放大电路间的一个匹配电路，同时也起到了隔离的效果。本文设计的电压跟随器采用运放OPA355和两个阻值大小相等的电阻组成。电压跟随电路如图四所示： 2.4电源模块 为了给放大电路和跟随电路提供稳压电源，本文设计了一个3.6V的稳压直流电源，采用的LM317稳压芯片。电路如图五所示： 【 分页导航 】 第1页：系统方案设计 第2页：模块分析 第3页：电路仿真与测试 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 3电路仿真与测试 整体电路如图六所示，仿真结果如图七所示。 电路采用protel制图，制作出PCB板，并加上了一些屏蔽措施，防止外界干扰与级间串扰。端口采用SMA接头的高频屏蔽同轴电缆，高频信号发生器使用EE1412F型合成（DDS）函数信号发生器，示波器采用TDS2012B测试。当输入信号为12MHz、1mVrms时，两级放大器的电压增益分别为19dB、22dB，最终负载上的电压增益可达41dB，且波形无明显失真，满足了设计要求。 【 分页导航 】 第1页：系统方案设计 第2页：模块分析 第3页：电路仿真与测试 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载

本文介绍了高频小信号LC谐振放大器的设计思路与具体电路实现，主要由衰减网络、LC谐振放大、电压跟随和电源四大模块组成。衰减器采用电阻式π型网络实现；LC谐振放大中选用功耗小的2N2222型三极管进行两级放大，LC谐振部分为放大器的负载；电压跟随采用集成运放OPA355，以实现电路阻抗的良好匹配；为了给放大器工作提供稳压电源，采用LM317稳压芯片设计了一个电源。经测试，放大器低功耗、高增益，具有良好的选择性。 0引言 高频小信号放大器是放大中心频率在几百兆赫兹到几百千兆赫兹的高频小信号的放大器。它在通信电子系统中有着重要的用途，通常应用在广播、电视、通信、雷达等无线通信的前段接收机中，其对接收机的灵敏度、抗干扰性和选择性等整机指标有关键性影响。 高频小信号放大的理论比较简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。因此，电路设计时，需考虑到电源滤波、退偶电路、级间耦合电路、阻抗匹配电路及匹配电路对整体电路的影响。 本文需设计并制作一个低功耗LC谐振放大器，要求满足的条件： （1）谐振频率f0=12MHz，允许偏差±100kHz； （2）增益不小于40dB； （3）输入电阻Rin=50Ω； （4）在放大器的输入端插入一个40dB固定衰减器，特性阻抗50Ω。为了便于放大器的设计，采用了NI Multisim电路仿真软件进行辅助设计。 1系统方案设计 高频小信号放大器主要由衰减网络模块、LC谐振放大模块、电压跟随器模块和电源模块组成。工作流程为：信号经衰减网络后得到一个微弱信号，通过电压跟随器进行阻抗匹配，再输入给一级放大电路，放大后的信号在通过电压放大器进行阻抗匹配的同时也能起到放大的作用，再通过二级放大电路，从而实现高增益、低损耗的LC谐振放大功能。系统框图如图一所示： 【 分页导航 】 第1页：系统方案设计 第2页：模块分析 第3页：电路仿真与测试 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 2模块分析 2.1衰减网络模块 衰减器是一种在指定的频率范围内引入一预定衰减的电路，一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。经典的衰减器有π型、T型和桥型衰减器，衰减效果较好，但是对于高频小信号，无源衰减网络选择π型或T型网络更加适合。 本文选择π型电阻型网络做衰减，如图二所示： 2.2 LC谐振放大模块 LC谐振放大器由LC谐振回路和放大器两部分组成，可以用于选出有用频率信号并加以放大。谐振部分采用经典的无源LC并联谐振电路，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的，电路简单稳定。 本模块的另一部分就是放大，也是关键的一步。本设计要求使用3.6V的稳压电源，功耗不超过360mW的放大器。根据要求，本文选用了功耗较小的2N2222三极管，用于放大高频小信号，并通过两级放大实现增益的要求。放大电路如图三所示： 2.3电压跟随模块 电压跟随器是输出电压与输入电压相同的一种放大器，就是放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点是输入阻抗高而输出阻抗低，在电路中可以起到缓冲、隔离、提高带载能力和阻抗匹配的作用。本文采用电压跟随器很方便地设计了在两级放大电路间的一个匹配电路，同时也起到了隔离的效果。本文设计的电压跟随器采用运放OPA355和两个阻值大小相等的电阻组成。电压跟随电路如图四所示： 2.4电源模块 为了给放大电路和跟随电路提供稳压电源，本文设计了一个3.6V的稳压直流电源，采用的LM317稳压芯片。电路如图五所示： 【 分页导航 】 第1页：系统方案设计 第2页：模块分析 第3页：电路仿真与测试 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 3电路仿真与测试 整体电路如图六所示，仿真结果如图七所示。 电路采用protel制图，制作出PCB板，并加上了一些屏蔽措施，防止外界干扰与级间串扰。端口采用SMA接头的高频屏蔽同轴电缆，高频信号发生器使用EE1412F型合成（DDS）函数信号发生器，示波器采用TDS2012B测试。当输入信号为12MHz、1mVrms时，两级放大器的电压增益分别为19dB、22dB，最终负载上的电压增益可达41dB，且波形无明显失真，满足了设计要求。 【 分页导航 】 第1页：系统方案设计 第2页：模块分析 第3页：电路仿真与测试 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载