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1、引言
在實際工作中，經常會遇到電路的自激問題，本文結合線性電源的自激問題，介紹一種使用相位補償技術的實用方法，達到消除自激的目的。
2、穩壓電路本質上是放大器
以常見的串聯穩壓電路為例，圖1所示的典型電路在模擬電路的教科書中屢見不鮮，原理不再累述。
圖1 典型的串聯穩壓電路
如果用放大器的視角看待此電路，那么誤差信號經過R3、R4的分壓送入Q2的基極，然后從其集電極輸出，這是一個共發射極放大器（反相的），后面的Q1只是跟隨器，所以對誤差信號來說，Q2、Q1組成了反相放大器；D1是基准電壓，接在Q2的發射極，放大后從集電極輸出，這是一個共基極放大器（同相的），於是對於基准電壓來說，Q1、Q2組成了一個同相放大器。
因此，對圖1的電路，我們可以理解成圖2的形式，即一個使用運算放大器的穩壓電源電路。
圖2 理解成使用運放的電路
如果把射極跟隨器Q1合並到運放中去，再把電路的畫法稍微改變一下，如圖3所示，這是不是我們非常熟悉的負反饋放大器的基本形式呢？
圖3 進一步改成放大器的畫法
顯然，穩壓電路最終可以理解成基准電壓的放大器，並且采用了環路負反饋技術，即一個直流耦合的多級負反饋放大器。
既然是多級環路負反饋，就完全有可能因為極點分布不合理而產生自激問題，因此也可以使用負反饋放大器中的相位補償技術去解決。
3、補償的基本思路
在負反饋放大器自激的頻率點，一定是相移達到了-180°，且該點的增益≥1。如果使得該點的相移小於-180°，自然就可以破壞自激的條件，消去自激。
與極點相反，零點能產生相位超前的作用。基於這一點，我們不妨在電路中引入新的零點，使得放大器滯后的相位得到恢復，從而消去自激。當然，引入零點的同時，也必然產生新的極點，必須讓新的極點遠離所引入的零點頻率。
下面將用兩個案例來分別說明如何使用RC滯后及超前補償的辦法來達到消除自激的目的。
4、RC滯后補償案例
RC滯后補償的基本電路如圖4虛線框內所示。其中U1、U2表示前后級電路，R1視為U1的內阻，R2和C1為滯后補償電路元件。
圖4 RC滯后補償電路
忽略前級U1的輸出電容及U2的輸入電阻與電容，R1與R2、C1產生了新的零點與極點，零點的頻率是：
式(1)
極點的頻率是：
式(2)
該電路的運用條件是：C1＞＞Ci(后級輸入電容及原前級輸出電容之和)；R2＜＜(R1||Ri)（Ri為后級輸入電阻）。這樣新的極點比原第一個極點的頻率低，增加的零點頻率比極點頻率高，增加RC補償電路后的電路典型的波特圖如圖5所示意，可以看出校正后，零點Z1附近的相位得到了恢復，在增益將為0dB時，其相位仍然有余量（參看圖5中的虛線L2）。當然不同的零極點分布，其波特圖也會有所不同。
注意圖5中零點的頻率略低於自激頻率（參看圖5中的虛線L1），這是我們在解決實際問題中常采取的方法。
圖5 RC補償的波特圖
圖6是一實驗用簡易24V 3A的直流穩壓電源，當電路搭完進行測試時，發現輸出端有大約800kHz的自激振盪波形。
圖6 簡易24V 3A線性穩壓電源
圖6中，誤差放大器后面是射級跟隨器，輸入阻抗比較大，適合采用RC補償方式：在Q5的集電極對地接一RC回路，如圖7所示。
圖7 Q5集電極對地接RC校正元件
讓零點頻率略低於800kHz，取R=220Ω，C=1000pF，Q5的輸出電阻取12kΩ。根據式1和式2分別計算得到極點的頻率約60kHz，零點的頻率是723kHz，兩者相距較遠。焊上RC后，自激波形消失，各種負載下均穩定工作。
5、超前補償案例
RC滯后補償會造成補償后的頻帶總比補償前窄，超前補償卻正相反。圖8虛線框內的部分是超前補償的基本電路。
超前補償網絡可以在放大器內部，也可以在負反饋的回路中。圖9中並接在反饋電阻R2上的C就是補償電容。
圖9 超前補償電路
反饋網絡不再是實數，產生了一個新的零點：
（式3）
以及一個新的極點：
（式4）
超前補償電路的波特圖如圖10示意圖所示，圖中Z1為反饋網絡產生的零點，提供了超前相位的貢獻，相移180°時由L1位置改善到L2位置，幅度已在0dB以下，電路不會自激了。
圖10 超前補償的伯德圖
電路運用的主要條件是R2＞＞R1，否則補償之后的零點與極點距離太近，相位超前作用不大，補償效果也不明顯；另外，新的零點頻率要略低於振盪頻率，這樣反饋網絡提供的相位超前作用才能校正放大器回路的相頻特性，破壞了自激條件。
圖11是一程控的0～500V直流電源的基本電路圖，調試過程中發現輸出端在某些時候有3.5kHz弱自激振盪波形。考慮到OP07本身的帶寬不寬，該電源的放大倍數也大（R4/R5約176），於是決定采用超前補償措施。
圖11
R4相當於圖9中的R2，在R4上並聯一個1000pF的電容C5，根據式3計算其零點頻率為1.3kHz，在3.5kHz頻率處大約產生+62°的相移貢獻，自激得到消除。根據式4計算其極點頻率為498kHz，兩者距離足夠遠，因此可以忽略此極點的影響。
6、結束語
相位補償的要點是：零點的頻率略低於（大約在0.3到0.9倍之間）自激頻率，同時讓零點與極點的距離足夠大（十倍左右或以上），使得被滯后的相位得到有效的恢復。掌握這個原則，一般都能很快解決自激問題。
參考文獻
【1】童詩白主編，模擬電子技術基礎（下冊），人民教育出版社，1980年。
【2】秦世才、王朝英編著，集成運算放大器應用原理，天津人民出版社，1979年。
【3】趙永健、張雨文編著，運算放大器的誤差分析與補償方法，高等教育出版社，1987年。
【4】【美】I.M.戈特利布著，葉靖國，馬積勛譯，王宏麟校，穩壓電源，科學出版社，1993年。
本文來自：何慶松，資深硬件工程師。
何慶松，1987年畢業於安徽大學物理系，曾任安慶市無線電廠設計所、中山市愛多電器有限公司研究院、深圳市三諾電子有限公司設計所、TCL多媒體AV所&研發中心等單位的設計師、部門經理等職務。主要從事電視、電聲、儀器設備等產品的設計開發，擅長模擬電路及整機系統架構設計。