【導讀】容性負載一定會影響運算放大器的性能。簡單地說,容性負載可以將放大器變?yōu)檎袷幤?。今天我們就來說說——容性負載如何將放大器變?yōu)檎袷幤鳎咳绾翁幚砣菪载撦d?
放大器變振蕩器?這是有原理的!
運算放大器固有的輸出電阻Ro與容性負載一起,構成放大器傳遞函數的另一個極點。如波特圖所示,在每個極點處,幅度斜率(負值)減小20dB/10倍。請注意各極點如何增加多達-90°的相移。我們可以從兩個角度來考察不穩(wěn)定性問題。請看對數圖上的幅度響應,當開環(huán)增益與反饋衰減之和大于1時,電路就會變得不穩(wěn)定。類似地,還可以看相位響應,在環(huán)路相移超過-180°的頻率,如果此頻率低于閉環(huán)帶寬,則運算放大器往往會發(fā)生振蕩。電壓反饋型運算放大器電路的閉環(huán)帶寬等于運算放太器的增益帶寬積(GBP,或單位增益頻率)除以電路的閉環(huán)增益(ACL)。
運算放大器電路的相位余量可以看作是使電路變得不穩(wěn)定時所需的閉環(huán)帶寬的額外相移量(即相移+相位余量=-180°)。隨著相位余量趨于0,環(huán)路相移趨于-180°,運算放大器電路便趨于不穩(wěn)定。通常而言,如果相位余量值遠小于45°,就會導致頻率響應的尖峰,以及階躍響應時的過沖或響鈴振蕩等問題。為了保持足夠的相位余量,容性負載所產生的極點至少應比電路的閉環(huán)帶寬高10倍。如果不是這樣,請考慮電路不穩(wěn)定的可能性。
如何處理容性負載?教你三招
首先應當確定,運算放大器能否安全地驅動自身負載。許多運算放大器數據手冊規(guī)定了“容性負載驅動能力”,另有一些則提供了關于“小信號過沖與容性負載之間關系”的典型數據。查看這些數值,可以發(fā)現過沖隨著負載電容增加成倍遞增。當過沖接近100%時,運算放大器便趨于不穩(wěn)定。如果可能,請讓過沖遠低于此限值。另外請注意,此圖針對特定增益而言。對于電壓反饋型運算放大器,容性負載驅動能力隨著增益的增加而提高。因此,在單位增益時能夠安全驅動100pF電容的電壓反饋型運算放大器,在增益為10時應當能夠驅動1000pF電容。
一些運算放大器數據手冊給出了開環(huán)輸出電阻(Ro),由此可算出上述附加極點的頻率。如果附加極點的頻率(fp)比電路帶寬高出10倍,電路將保持穩(wěn)定。
如果運算放大器的數據手冊沒有說明容性負載驅動能力或開環(huán)輸出電阻,并且沒有提供過沖與容性負載的關系圖,那么為了確保穩(wěn)定性,必須假設任何負載電容均要求采取某種補償技術。有許多方法都能使標準運算放大器電路穩(wěn)定驅動容性負載,下面是其中幾種:
噪聲增益操控
這是一種在低頻應用中保持穩(wěn)定的有效方法,然而卻經常被設計人員所忽略。其原理是提高電路的閉環(huán)增益(也稱為“噪聲增益”),而不改變信號增益,從而降低開環(huán)增益與反饋衰減之積變?yōu)?的頻率。在一些電路的運算放大器輸入端之間連接RD即可實現,如下圖所示。利用所給的公式可求得這些電路的“噪聲增益”。
由于穩(wěn)定性受噪聲增益而不是信號增益控制,因此上面的電路可提高穩(wěn)定性,且不會影響信號增益。只需使“噪聲帶寬”(GBP/ANOISE)比負載所產生的極點至少低10倍,便可確保穩(wěn)定。
這種穩(wěn)定方法有一個缺點,即折合到輸入端的電壓噪聲和輸人失調電壓進一步放大,導致輸出噪聲和失調電壓增加。將電容CD與RD串聯(lián),可以消除增加的直流偏置電壓,但這種技術會增加噪聲,無法消除。這些電路在包含CD和不含CD兩種情況下的有效噪聲增益如圖所示。
使用時,CD應盡可能大;最小值應為10ANOISE/(2πRDGBP),才能使“噪聲極點”至少比“噪聲帶寬”低10倍。
環(huán)外補償
這種方法是在運算放大器的輸出端與負載電容之間增加一個電阻RX,如下圖所示。該電阻顯然在反饋環(huán)路之外,但它與負載電容一起,可將一個零點引人反饋網絡的此傳遞函數,從而減小高頻時的環(huán)路相移。
為確保穩(wěn)定,RX值應使所增加的零點(fZ)至少比運算放大器電路的閉環(huán)帶寬低10倍。增加RX后,電路性能不會像第一種方法一樣受到影響,輸出噪聲不會增加,但相對負載而言的輸出阻抗會提高。由于RX和RL構成電阻分壓器,這可能會降低信號增益。如果RL已知且相當穩(wěn)定,則可以提高運算放大器電路的增益,以抵消該增益損失。
這種方法對于驅動傳輸線路非常有效。為了避免駐波,RL和RX的值必須等于電纜的特性阻抗(一般為50Ω或75Ω)。因此,RX是預先確定的,剩下的工作就是讓放大器的增益加倍,以便抵消電阻分壓器造成的信號損耗,這樣問題就解決了。
環(huán)內補償
如果RL是未知的或動態(tài)變化的,則增益級的有效輸出電阻必須保持較低。這種情況下,將RX連接在整個反饋環(huán)路以內可能有幫助,如下圖所示。采用這種配置,直流和低頻反做來自負載本身,因此從輸入端到負載的信號增益仍然不受分壓器(RX和RL)的影響。
此電路中增加的電容CF可以抵消CL所造成的極點和零點。簡單地說,CF所產生的零點與CL所產生的極點一致,同時CF所產生的極點與CL所產生的零點一致。因此,總傳遞函數和相位響應與沒有電容時完全一樣。為了確保極點和零點組合均得以抵消,必須精確求解上述方程式。另外應注意條件;如果負載阻抗相對較大,則這些條件很容易得到滿足。
如果RO未知,將難以計算。這種情況下,設計程序就變成猜謎游戲,這可以說是電路設計的噩夢。關于SPICE,有一點應當注意:運算放大器的SPICE模型并未精確模擬開環(huán)輸出電阻(RO),因此并不能完全取代補償網絡的經驗設計。
還有一點必須注意:CL必須為已知且恒定的值,才能應用這種技術。許多應用中,放大器驅動非常規(guī)負載,CL可能會因負載不同而有很大差別。只有CL是閉環(huán)系統(tǒng)的一部分時,使用以上電路才是最佳選擇。
一種應用是對基準電壓進行緩沖或反相,以驅動較大的去耦電容。此時,CL為固定值,可以精確抵消極點/零點組合。這種方法的低直流輸出阻抗和低噪聲(與前兩種方法相比)非常有利。此外,基準電壓的去耦電容可能很大(經常為若干微法),使用其它補償方法并不可行。
以上三種方法均應用于“標準”、單位增益穩(wěn)定、電壓反饋型運算放大器,每種方法各有利弊?,F在,您可以應用自己的知識來判斷哪種方法最適合您的應用啦~
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