运放专题：使用运放电路时产生的振铃现象如何消除

发布时间：2024-12-3 阅读量：1500 来源: 我爱方案网作者: bebop

运算放大器（简称运放）是电子电路中极为重要的元件，广泛应用于信号放大、滤波、比较等多种场合。然而，在某些情况下，由于设计或布局不当，运放电路可能会产生振铃现象，即输出信号出现不期望的高频波动。这种现象不仅影响了电路性能，还可能对系统造成损害。本文将探讨运放振铃现象产生的原因，并提出相应的解决办法及应用案例。

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振铃现象概述

振铃现象是一种在电路响应中出现的周期性振荡，通常表现为快速上升或下降的边缘后跟随一个或多个振幅逐渐减小的振荡。在运放电路中，振铃可能是由反馈回路中的相位滞后和增益裕度不足引起的。

振铃产生案例

如下图所示：红色圈住的部分为人为加入的反相端寄生电容10nF,其他参数不变。

（图源EDN）

参数设置完毕，输出波形如下图所示：

运放振铃现象

（图源EDN）

从PCB板的寄生参数出发去分析它产生的原因。运放振铃产的原因就是由于反向输入端的寄生电容与反馈电阻构成了一个低通滤波器，低通滤波器会导致相位滞后。运算放大器同相端与反相端的电压差值放大无穷大倍，然而放大倍数又不可能无穷大，这就得益于输出端的反馈回路。当输出电压过大时，反馈到反相端的电压也会变大，进而输出端电压减小，当输出端电压过小时，反馈到反相端的电压就变小，进而使输出端的电压增大，这样的一个过程如此往复形成一个动态平衡，保持输出端电压稳定。

但是当反馈回路出现了延迟，会出现什么情况呢？那就是输出端的电压已经到达预定电压值了，可是由于反馈回路上的延迟，运放认为输出端的电压还没增加到达预定电压，还在继续增大输出电压，当运放反应过来之后又发现输出电压过大，又开始减小输出电压，当输出端的电压已经减小到达预定电压值了，同样由于延迟的存在，运放认为输出端的电压还没减小到预定电压，当运放反应过来时输出电压又低于预定电压了，然后又开始增大输出电压。循环往复，这就产生了振铃。

振铃产生主要原因如下：

1. 相位裕度不足

当运放的反馈网络引入过多的相位滞后时，会导致系统的稳定性降低。如果相位裕度小于45度，那么正反馈路径就可能超过负反馈，从而引发振铃。

解决方法：增加相位裕度，通过合适的相位校准或稳相网络确保系统稳定。

2. 寄生电容效应

运放的反向输入端存在寄生电容，这些电容与反馈电阻共同作用形成低通滤波器，导致相位滞后。当这个滞后达到一定程度时，就可能引起振铃。

解决拌饭：避免在运放的反向输入端覆铜，以减少寄生电容。此外，可以通过优化PCB布局来减少不必要的寄生电容。

3. 不恰当的频率补偿

频率补偿不足或过度都可能导致运放的频率响应不稳定，进而产生振铃。

解决方法：合理设计频率补偿电路，选择合适的补偿元件和参数。

4. 负载容量过大

负载电容过大可以改变电路的频率特性，增加相位滞后，同样可能导致振铃。

解决方法：优化负载设计，减小负载电容，提高电路的带宽和稳定性。

5. 输入信号幅度

过大的输入信号可能超出运放的线性范围，导致非线性失真和振铃。

解决方法：限制输入信号幅度，增加可调节的偏置电压等手段调整输入信号。

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应用示例

电机控制场景

在高要求的伺服电机控制应用中，相电流检测精度是影响控制性能的一个重要因素，如果运放的带宽和压摆率达不到要求，则会影响相电流的采样精度。

BL370X系列产品有12MHz的带宽，11V/µs的压摆率，使得在产品在检测的过程中拥有更快的响应速度，满足高要求的电机控制应用需求。

产品特点

工作电压范围：+2.1V - +5.5V

低噪声 : 6.5nV/√Hz @1kHz

增益带宽: 12MHz (Typ)

低输入偏置电流: 1pA (Typ)

失调电压: 0.25mV (Typ)

高压摆率: 11V/μs

静态电流: 1.1mA /每通道 (Typ)

轨到轨输入与输出

工作温度范围: -40°C ~ +125°C

 BL3701 支持SOT23-5, SC70-5 封装

产品优势

优异的低噪声特性，在1KHZ频率下的电压噪声频谱密度只有6.5nV/√Hz

设计放大微弱信号电路时，噪声对放大结果有着比较大的影响，如果需要检测的信号很小，噪声很大，则有用信号会被噪声掩盖，很难识别哪些是有用信号，哪些是干扰信号，这样会给设计带来很大的困扰。

运算放大器噪声主要来源于电源噪声、器件噪声，下面来一一分析解决。

电源噪声

即PSRR，通常PSRR在70dB左右就可以满足设计要求，而BL370X系列产品可以做到高达90dB的PSRR，极大地抑制了电源噪声。

器件噪声

此噪声主要来源于运放器件本身的噪声，通用运放产品的噪声频谱密度通常27-40nV/√Hz @1kHz左右, 同类低噪声产品的噪声频谱密度也在12nV/√Hz @1kHz左右,而BL370X的噪声频谱密度可低至6.5nV/√Hz @1kHz，这个优越的特性很好地解决了器件噪声所带来的影响。

BL370X的低噪声特性能很好地优化和解决上述问题，为系统设计带来便利。

低失调电压

BL370X可以做到失调电压0.25mV, 如果应用场景中的有效信号为直流信号，那么需要挑选Vos远小于被测信号幅度的运放；如果关注的是交流信号，BL370X低失调电压特性，可以防止交流信号削顶失真。

在同类产品的比较中，性能更优

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