运算放大器振荡器奇怪的输出

电器工程 运算放大器 振荡器 失真
2022-01-14 04:17:06

我正在尝试使用运算放大器构建一个正弦波振荡器,但我得到了奇怪的输出。需要帮助获得纯正弦波输出。

电路原理图: 在此处输入图像描述

电路说明:

该电路类似于常规的 3 级缓冲 RC 相移振荡器(灵感来自这里)。添加了运算放大器U2B,以便 U1A 放大器电阻器(R1、R2 和 R3)的值以十千欧为单位(而不是 100 千欧)。在U2B引脚 7 (OUT)观察到振荡器输出。如图所示连接两个独立的电源以获得+15V / 0V / -15V

R3用于改变放大器增益。R4 & R5用于改变振荡器频率。目标输出频率为 400Hz。

问题: 在此处输入图像描述

  • 顶部波形:IC U2B 引脚 5(同相输入)wrt GND
  • 底部波形:IC U2B pin 7(输出)wrt GND

U2B 引脚 7(输出)(底部波形)处正弦波的负周期失真。这种失真是某种纹波/电压振荡。这是什么原因?&我该如何摆脱它?

到目前为止,我已经尝试过:

  1. 我的第一个猜测是-15V电源有问题。所以我更换了电源,但失真仍然保持在负循环中。(我预计如果电源出现问题,则在更换电源后失真应该处于正循环中)
  2. 更改了 IC U2(LM358 双运算放大器)。仍然是完全相同的失真。
  3. 更改了 IC U1(LM358 双运算放大器)。仍然是完全相同的失真。
  4. 如下图所示添加了 IC U3。在此处输入图像描述U3A 引脚 1 的输出(输出)是纯正弦波,如 Top Waveform(在示波器中)。所以我从 U2B 中移除了放大器连接 (R1) 并将其连接到 U3A。然后U3A的输出也像Bottom Waveform(在示波器中)一样失真,U2B的波形变成纯正弦波。
  5. 使用的IC U3B如下图所示。在此处输入图像描述U3A 引脚 1(输出)的输出再次失真。
  6. 从上面的示意图中,我移除了 U3B,只在 U3A 引脚 1(输出)处添加了 1 Kohm 负载,输出再次失真,但这次失真较低。

这个问题有点长,但我想提供尽可能多的细节。我已经为此绞尽脑汁两天了。请帮忙。TIA。

编辑:

  1. 正如 Bimpelrekkie 在评论中建议的那样,我在每个 IC(双运算放大器)附近添加了一个 100nF 电容器,还在 +15V / 0v 和 -15V / 0V 之间添加了两个 1uF 电容器。这对失真没有影响。我还在 R2 和 R3 上添加了 22pf 电容器。这减少了失真,但并没有消除它,如下所示:

正循环:无失真在此处输入图像描述

负周期:减少但仍然存在 - 失真在此处输入图像描述 但这不是我想做的事情,因为它会影响正弦波频率。

还有一些我之前没有提到的东西,我认为可变电阻器(预设)可能会导致问题,所以将它们短路,但没有成功。

编辑2:(问题已解决)

阅读您的评论和答案后,我尝试了以下操作:

  1. (实验 7)Olin Lathrop's & analogsystemsrf's (如 analogsystemsrf 的回答中提到的,问题是关于稳定性/相位裕度,但 U2B 的输出不接近轨道(+15V 或 -15V),它是 2V 到 3V 的峰峰值,集中在0V)答案提示我了解稳定性和边距(教程)。所以我尝试了下面给出的电路:在此处输入图像描述 输出在振荡(所以失真是你们中的许多人所表示的振荡)并且它不是稳定的直流输出。所以然后我将R13从-15V断开并连接到+15V并且输出稳定。因此,在正弦波的负半周期期间,有些东西将运算放大器推向不稳定区域(我不知道是什么)。

  2. (实验 8)所以我使用缓冲器补偿了运算放大器(如图所示最终电路如下图所示。在此处输入图像描述 太棒了!问题解决了。输出现在稳定(没有不需要的振荡/失真)。

现在,即使问题解决了,问题现在变成了..

  1. 为什么LM358在正电压的单位增益下稳定而不是负电压?
  2. 仅通过选择合适的运算放大器就可以避免这些类型的问题吗?如果是,我该如何选择合适的运算放大器?
  3. 是在所有运算放大器电路中(数学上)考虑稳定性,还是可以直观地(无需计算)决定电路是稳定的?(如何?)
  4. U2B 有稳定性问题,为什么 U1B 或 U2A 没有同样的问题?(我检查了这些运算放大器的输出,发现它们是稳定的/纯正弦的。)

最后,我要感谢你们每一个人帮助我解决这个问题。非常感谢!

3个回答

你可能吸收了太多电流。这是 TI LM358 数据表的一部分: LM358 假设您的摆幅约为 10V,您将获得约 10mA 的源/汇。

我们喜欢认为运算放大器的行为与输出电流无关,但情况并非总是如此。当您的源/灌电流增加时,运算放大器的性能会下降。因此,1mA 的稳定运算放大器可能会在 10mA 变得不稳定。

尝试重复场景 6 的实验,但将 1k 电阻器替换为 10k 电阻器。

基本问题是 U2B 正在振荡。

请注意,您以单位增益使用它。似乎这些放大器旨在实现单位增益稳定,但与其他增益相比,那里的余量当然会更小。

所以现在你应该环顾四周,看看为什么这个放大器在不应该出现振荡的情况下出现振荡。这可能是由于包内的耦合。这应该是一个强有力的线索,可以让您检查旁路盖。那时你应该拍拍自己的头,同时大喊“D'oh!我忘记了旁路帽!” .

鉴于电路没有限制幅度增长,我认为峰值电压迫使其中一个运算放大器进入近轨运行,相位裕度下降到不稳定区域。