工业现场的变送器有时明明输入端没信号输出端却测到了一个几十kHz的“小正弦波”换了运放没用换了PCB板子好一阵又犯。其实这是一个经典的问题——运放自激振荡。这种故障最烦人的地方在于它不是每次都出现跟温度和湿度都有关系有时候敲一下板子就没了过一会儿又冒出来。遇到这种情况很多工程师第一反应是“电源不行”加一堆电容结果越加越糟糕。今天就聊聊运放自激振荡这件事。一、什么是自激振荡你在KTV唱歌时当麦克风位置不合适或者音量过大时喇叭中会出现一种非常难听的啸叫自激振荡就是放大器没输入信号的时候自己“唱起歌”来了输出端莫名其妙地冒出一个高频正弦波或类正弦波频率通常在几十kHz到几MHz之间有时候是等幅振荡有时候是间歇性的。还有一种情况更容易迷惑人输入信号正常的时候输出也正常但一旦输入信号的幅度或频率变到某个“敏感点”输出波形上就叠加了一个更高频率的振荡信号。这两种情况本质上都是运放的不稳定性在特定条件下被“激发”出来了。二、为什么运放会自己“唱歌”运放自激振荡的根本原因是相位裕度不足。先简单理解两个概念运放自身有开环增益和开环相移反馈网络会改变这个相移。当环路增益降到1的时候如果相移已经到了-180°信号就会“反着回来”变成正反馈放大器就变成振荡器了。相位裕度就是环路增益为1时实际相移离-180°还有多远。这个距离相当于系统的“安全垫”——安全垫越厚系统越稳安全垫越薄就越容易振荡。一般工业设计要求相位裕度≥45°低于这个值系统就处在“临界稳定”状态稍微有点影响就可能振荡。三、工业现场常见的形成振荡的三种因素1.杂散电容——看不见的“小电容”在作祟PCB上那些看不见的寄生电容是运放自激振荡最常见的元凶。运放反相输入端CIN-对地的杂散电容哪怕只有几pF和反馈电阻Rf一结合就形成了一个低通滤波器。这个滤波器会在环路中引入一个滞后极点吃掉宝贵的相位裕度。一旦相位裕度低于45°电路就开始“唱歌”了。2.增益电阻选得太大——看似省事实则添乱增益电阻取值太大和CIN-的杂散电容形成的低通网络会更“低”——换句话说频率上限被压得很低引入的滞后相位更大更容易振荡。如果用10kΩ/1kΩ搭配做10倍增益1kΩ/100Ω的搭配会更稳。3.驱动大电容负载——驱动能力不够硬运放输出端接大电容比如长电缆的分布电容、ADC的采样电容会在输出电阻和电容之间形成一个额外的极点。这个极点同样会吃掉相位裕度导致振荡。用示波器看输出波形如果方波响应有过冲甚至振铃说明相位裕度已经不太够了。四、修复运放振荡的四种方法方法一PCB布局——反相输入端下方“净空”远离覆铜这是最有效也最容易被忽视的措施。运放反相输入脚及其走线的正下方绝对不要铺铜。同层周边与覆铜保持至少20mil约0.5mm间距。高频信号线离GND越近杂散电容越大。给CIN-留足“净空”比加任何补偿电容都管用。方法二增益电阻“宜小不宜大”在功耗允许的前提下尽量选小的增益电阻。反馈电阻Rf和反相输入端对地的杂散电容CIN-共同决定了高频响应的上限频率fh 1 / (2π·Rf·CIN-)。Rf越大这个上限越低滞后相位越大越容易振荡。方法三输出端串个小电阻隔离电容负载如果必须驱动长电缆或容性负载在运放输出端串联一个几十欧姆10-100Ω的小电阻电阻靠近运放输出引脚放置起到隔离作用把电容负载和运放输出隔开破坏振荡条件。方法四反馈电阻上并个小电容这是最常用的手法在反馈电阻Rf上并联一个小电容Cf这会引入相位超前正好抵消杂散电容引入的相位滞后。典型值范围Rf10kΩ时Cf≈3~10pF。五、写在最后运放自激振荡本质上是一个相位裕度不足的问题。解决它不只是靠“加电容”而是要分析那个吃掉相位裕度的“元凶”然后选择针对性的补偿手段挖空地、换电阻、并电容等。你在调运放电路时遇到过“无缘无故”的振荡吗最后是怎么解决的欢迎在评论区聊聊后续干货不断咱们一起在单片机的世界里共同进步。