高增益、大带宽…为什么电路还会发生振荡？

在之前“高增益、高带宽，如何两者兼得？”一文中，我们探讨了如何在实现高增益和高带宽的同时还能保持足够高的信噪比 (SNR)。这篇文章里我们将更加详细地讨论实施方法和可能发生的问题。 由于目标增益非常高，首先需要检查直流 (DC) 工作的情况，以检验输出偏移电压是否处于预设范围以内。如果超出增益级和放大器直流参数、输入偏置电流和输入偏移电压预设的范围，则电路明显可能存在振荡。系统振荡体现为多种形式，如噪声增大、输出偏移电压以及在无负载情况下静态电流增大等，不一而足。 如果发生振荡、电路为高增益直流耦合且各级工作正常，则耦合每一级的交变电流 (AC) 会将输出偏移电压当作电位问题掩盖。现在唯一剩下的问题就是消除不良的寄生特性。 在存在正反馈环路，或当系统的相位裕度不足的时候，就会发生振荡。由于放大器本身处于稳定状态且负载为阻性，唯一可能的原因就是存在正反馈环路。 图 1 所示的下列电路可通过调整放大器在低频率下的噪声增益来处理较大的 DC 偏移。由此，任何直流分量在输出端的增益仅为 1-V/V。此外，图 1 还显示了电源是通过电源层连接的。图中给出了每个放大器的本地电源旁路电容器，但为简化起见省略了全局电源旁路电容器。 图 1：带电源层的多级放大器原理图 试想，未级正在驱动一个重负载，电流将从电源流入负载。该电流将对电源轨造成扰动。由于多级放大器的电源轨连接在一起，我们将在第一级和第二级察觉到这种扰动。扰动会出现在第一级的输出，只有第一级的电源抑制比 (PSRR) 可以衰减，然后再由第二级和第三级的信号增益放大。 如果扰动频率的 PSRR 低于第二级和第三级增益的乘积，那么负载产生的扰动就会被放大。换言之，电源轨上存在正反馈环路。 解决的方法非常简单，细致地进行电路板的板面布局，让电源先给未级供电，同时在各级之间插入一个串联电感器。在下图所示的三级放大器中，我们只给每个电源添加了两个电感器。在图 2 中，我们只在正电源上实施这种方法。注意，负电源可能也需要这样处理。 图 2：在各级间实施电源隔离 图 2 所示的范例采用了 LMH6629 作为第一级，OPA684 作为第二级和第三级。 采用 +5V 电源即可实现良好的 5MHz 的平坦频带，-3dB 带宽为 10MHz。对于 10uV信号，在放大率为 100,000V/V 的情况下，得到的 SNR 为大约 12dB。 图 3：每级之后的频率响应