放大器驅(qū)動容性負載對穩(wěn)定性的影響

放大器驅(qū)動容性負載，是比較容易引發(fā)穩(wěn)定性問題的電路。本篇將結(jié)合仿真討論放大器自身的容性負載能力，以及針對容性負載驅(qū)動能力不足的情況，提供一種依據(jù)放大器開環(huán)輸出阻抗參數(shù)補償容性負載驅(qū)動能力，保證電路穩(wěn)定工作的方法。

1 、容性負載驅(qū)動參數(shù)定義

先看一個案例，如圖 2.110 是一款常見基準源緩沖驅(qū)動電路。筆者曾接觸到一位工程師使用直流參數(shù)極好的 ADA4522-2 作為 ADC 基準源的緩沖器，輸出通過電容 C1（10μf）、C2（0.1μf），連接到一款 24bit ∑?型 ADC 的基準源引腳。工程師反饋基準源的輸出非常穩(wěn)定，但是在 ADA4522 輸出存在振蕩。

圖 2.110 ADA4522 基準源緩沖電路

使用電路仿真，瞬態(tài)分析結(jié)果如圖 2.111，輸出振蕩范圍在 2.486~2.514V，這對于精密采集電路無疑是致命的問題。

圖 2.111 ADA4522 基準源緩沖電路瞬態(tài)分析結(jié)果

筆者建議工程師使用具有容性負載驅(qū)動能力的放大器 ADA4807 進行替換，如果將圖 2.110 基準源驅(qū)動電路中，ADA4522 替換為 ADA4807，電路如圖 2.158。

圖 2.158 ADA4807 基準源緩沖電路

進行瞬態(tài)分析的結(jié)果如圖 2.159，在 ADA4807 輸出直接驅(qū)動 10μf 與 0.1uf 電容時，電路輸出 2.5V 十分穩(wěn)定。

圖 2.159 ADA4807 基準源緩沖電路瞬態(tài)分析結(jié)果

導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是 ADA4807 相比 ADA4522 具有一定的容性負載驅(qū)動能力。容性負載驅(qū)動能力（Capacitive Load Drive）是指放大器輸出驅(qū)動容性負載時，對輸出信號過沖的抑制能力，通常以百分比表示。

如圖 2.160，表示 ADA4807 在增益為 1 倍的電路中，輸出驅(qū)動 15pf 電容，當(dāng)輸出信號峰峰值為 20mV 時，輸出過沖的在 17%以內(nèi)。

圖 2.160 ADA4807 輸出特性

通過圖 2.161 可以更好的理解這一過程，負載電容為 15pf，輸出信號從 -10mV 到+10mV 的階躍變化，過充電壓大約為 3.5mV。

圖 2.161 ADA4807 不同容性負載下的小信號瞬態(tài)響應(yīng)

2 、容性負載對穩(wěn)定性的影響

放大器輸出驅(qū)動容性負載時，開環(huán)輸出電阻 Ro 與負載電容 Cload 組成一階 RC 電路。如圖 2.262，新增極點 fp，頻率為式 2-93。

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其中，開環(huán)輸出電阻 Ro，近似等于開環(huán)輸出阻抗。

新增極點 fp 處相位延遲 45°，高于 10 倍 fp 頻率的相位延遲 90°。參考《放大器相位裕度與電路穩(wěn)定性判斷方法》，在環(huán)路增益為 0dB 時，使用放大器的相位裕度判斷電路是否穩(wěn)定，即是否能直接驅(qū)動該容性負載。

圖 2.162 放大器開環(huán)輸出阻抗驅(qū)動電容負載電路圖

如圖 2.163（a），以 ADA4625-1 為例的環(huán)路增益仿真電路，根據(jù)上一篇《放大器輸出阻抗的參數(shù)計算與仿真》可知 ADA4625-1 開環(huán)輸出電阻 Ro 約為 28.96Ω，當(dāng)電路輸出直接驅(qū)動 1uf 容性負載時，由式 2-93 計算新增極點頻率約為 5.495KHz。另外，使用 ADA4625 輸出驅(qū)動純電阻電路進行對比，如圖 2.163（b）。

圖 2.163 ADA4625 驅(qū)動容性負載與阻性負載電路

AC 分析結(jié)果如圖 2.164，ADA4625 驅(qū)動純阻性負載電路的環(huán)路增益為 V（fb1）/V（in1）曲線，在 30.1KHz 處，V（fb1）/V（in1）曲線為 53.118dB；在 301.74KHz 處，V（fb1）/V（in1）曲線為 32.904dB，頻率增益十倍增益衰減接近 20dB。V（fb1）/V（in1）曲線波特圖為 0dB 時對應(yīng)的相位裕度為 69.462°，判定電路輸出穩(wěn)定。

圖 2.164 ADA4625 驅(qū)動容性負載與阻性負載的環(huán)路增益波特圖 AC 分析結(jié)果

ADA4625 驅(qū)動容性負載電路的環(huán)路增益為 V（fb）/V（in）曲線，與 V（fb1）/V（in1）曲線的幅頻特性在低頻范圍內(nèi)重合。在 6.9KHz 處 V（fb1）/V（in1）曲線與 V（fb）/V（in）曲線的增益相差 3dB，另外在 6.9KHz 前后 20 倍頻率內(nèi) V（fb）/V（in）曲線相位延遲 90°，即 ADA4625-1 的 Ro 與 Cload 組成的極點頻率為 6.9KHz。在 30.1KHz 處，V（fb）/V（in）曲線的增益為 39.785dB。在 301.74KHz 處，V（fb）/V（in）曲線的增益為 0dB，頻率增加十倍增益衰減接近 40dB。V（fb）/V（in）曲線在波特圖 0dB 處，對應(yīng)相位裕度為 1.075°，判斷電路不穩(wěn)定。

3 、容性負載驅(qū)動補償方法與仿真

補償放大器容性負載驅(qū)動能力不足的方法是增加零點 fz 補償極點產(chǎn)生相位延遲。如圖 2.165（a），在放大器的輸出端 Vout 與容性負載 Cload 之間串聯(lián)隔離電阻 Riso，電路的輸出傳輸網(wǎng)絡(luò)簡化為 2.165（b），傳遞函數(shù)為式 2-94。

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由式 2-94 可見，使用隔離電阻 Riso 之后，極點頻率調(diào)整為式 2-95。

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新增零點頻率為式 2-96。

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為保證補償電路驅(qū)動容性負載時，放大器穩(wěn)定工作，即 Avoβ為 0dB 時，相位裕度大于 45°，零點頻率至少設(shè)置在 Avoβ為 20dB 處，因此隔離電阻最小值 Riso_MIN 為式 2-97。

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如圖 2.167，環(huán)路增益曲線為 20dB 時，頻率為 94.69KHz。代入式 2-97 計算隔離電阻為：

圖 2.165 容性負載驅(qū)動補償電路分析

將圖 2.163（a）作為比對電路，應(yīng)用在圖 2.166（a）。將所計算的 Riso 阻值，應(yīng)用于容性負驅(qū)動補償電路，如圖 2.166（b）。

圖 2.166 ADA4625 容性負載驅(qū)動補償電路

AC 分析結(jié)果如圖 2.167，使用 Riso 補償電路的環(huán)路增益 V（fb1）/V（in1） 曲線的增益為 0dB 時，對應(yīng)的相位裕度為 83.69°。判斷所使用的補償方法有效，放大器輸出穩(wěn)定。

圖 2.167 ADA4625 容性負驅(qū)動補償電路波特圖 AC 分析結(jié)果

綜上，在一些精密放大器的規(guī)格書中，可能沒有提供容性負載驅(qū)動參數(shù)，所以工程師容性負載驅(qū)動的電路中認真評估所使用放大器的驅(qū)動能力。針對驅(qū)動能力不足的放大器，需要結(jié)合放大器的開環(huán)輸出阻抗設(shè)計隔離電阻，將新增零點的頻率至少設(shè)置在原電路環(huán)路增益為 20dB 處進行補償，保證電路穩(wěn)定工作。
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