應(yīng)用工程師提問：運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載

Q. 為什么要驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載？

A.這通常不是一個(gè)選擇的問題。在大多數(shù)情況下，負(fù)載電容不是來自您有意添加的電容器;大多數(shù)情況下，它是一種不需要的寄生，例如一段同軸電纜的電容。然而，確實(shí)會(huì)出現(xiàn)需要在運(yùn)算放大器輸出端去耦直流電壓的情況，例如，當(dāng)運(yùn)算放大器用于反相基準(zhǔn)電壓并驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)。在這種情況下，您可能希望將旁路電容直接放置在運(yùn)算放大器的輸出端。無論哪種方式，容性負(fù)載都會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能。

Q. 容性負(fù)載如何影響運(yùn)算放大器性能？

A.簡而言之，它可以將您的放大器變成振蕩器。方法如下：

運(yùn)算放大器具有固有的輸出電阻Ro，與容性負(fù)載一起，在放大器的傳遞函數(shù)中形成一個(gè)額外的極點(diǎn)。如波特圖所示，在每個(gè)極點(diǎn)，振幅斜率變得更加負(fù)20 dB/十倍頻程。注意每個(gè)極點(diǎn)如何增加多達(dá)-90°的相移。我們可以從兩個(gè)角度中的任何一個(gè)來看待不穩(wěn)定。觀察對(duì)數(shù)圖上的幅度響應(yīng)，當(dāng)開環(huán)增益和反饋衰減之和大于單位時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電路不穩(wěn)定。同樣，從相位響應(yīng)來看，如果環(huán)路相移低于閉環(huán)帶寬，運(yùn)算放大器將傾向于以環(huán)路相移超過-180°的頻率振蕩。電壓反饋型運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)帶寬等于運(yùn)算放大器的帶寬積（GBP，或單位增益頻率）除以電路的閉環(huán)增益（ACL).

運(yùn)算放大器電路的相位裕量可以被認(rèn)為是使電路不穩(wěn)定所需的閉環(huán)帶寬下的額外相移量（即，相移+相位裕量= -180°）。當(dāng)相位裕量接近零時(shí)，環(huán)路相移接近-180°，運(yùn)算放大器電路接近不穩(wěn)定。通常，遠(yuǎn)小于45°的相位裕量值會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)中的“峰值”以及階躍響應(yīng)中的過沖或“振鈴”等問題。為了保持保守的相位裕量，容性負(fù)載產(chǎn)生的極點(diǎn)應(yīng)至少比電路的閉環(huán)帶寬高出十倍頻程。如果不是，請(qǐng)考慮不穩(wěn)定的可能性。

Q. 那么如何處理容性負(fù)載呢？

A.首先，應(yīng)確定運(yùn)算放大器是否可以安全地自行驅(qū)動(dòng)負(fù)載。許多運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊都規(guī)定了“容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力”。其他則提供了“小信號(hào)過沖與容性負(fù)載”的典型數(shù)據(jù)。在查看這些數(shù)字時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)過沖隨著負(fù)載電容的增加呈指數(shù)級(jí)增長。當(dāng)接近100%時(shí)，運(yùn)算放大器接近不穩(wěn)定。如果可能，請(qǐng)使其遠(yuǎn)離此限制。另請(qǐng)注意，此圖用于指定的增益。對(duì)于電壓反饋型運(yùn)算放大器，容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力隨增益成比例增加。因此，能夠以單位增益安全驅(qū)動(dòng)100 pF電容的aVF運(yùn)算放大器應(yīng)該能夠以1000的增益驅(qū)動(dòng)10 pF電容。

一些運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了開環(huán)輸出電阻（Ro），從中可以計(jì)算增益的頻率 - 如上所述的添加極點(diǎn)。如果增加極點(diǎn)的頻率（fP） 比電路的帶寬高出十余年。

如果運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊沒有指定容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)或開環(huán)輸出電阻，也沒有過沖與容性負(fù)載的關(guān)系圖，那么為了確保穩(wěn)定性，您必須假設(shè)任何負(fù)載電容都需要某種補(bǔ)償技術(shù)。有許多方法可以穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器電路以驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載。以下是一些：

噪聲增益控制：在低頻應(yīng)用中保持穩(wěn)定性的一種有效方法（通常被設(shè)計(jì)人員忽視）是在不改變信號(hào)增益的情況下增加電路的閉環(huán)增益（也稱為“噪聲增益”），從而降低開環(huán)增益和反饋衰減乘積趨于一的頻率。下面顯示了通過在運(yùn)算放大器輸入之間連接RD來實(shí)現(xiàn)此目的的一些電路。這些電路的“噪聲增益”可以通過給定的公式得出。

由于穩(wěn)定性由噪聲增益而不是信號(hào)增益控制，因此上述電路可以在不影響信號(hào)增益的情況下提高穩(wěn)定性。只需保持“噪聲帶寬”（GBP/A噪聲） 至少低于負(fù)載產(chǎn)生的極點(diǎn)十倍，以保證穩(wěn)定性。

這種穩(wěn)定方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于折合到輸入端的電壓噪聲和輸入失調(diào)電壓的放大增加，會(huì)產(chǎn)生額外的輸出噪聲和失調(diào)電壓。增加的直流失調(diào)可以通過包括C來消除D與 R 串聯(lián)D，但增加的噪音是這種技術(shù)固有的。這些電路的有效噪聲增益（帶和不帶C）D如圖所示。

CD，使用時(shí)，應(yīng)盡可能大;其最小值應(yīng)為 10 A噪聲/（2 pRDGBP），以保持“噪聲極”至少低于“噪聲帶寬”十年。

環(huán)外補(bǔ)償：穩(wěn)定運(yùn)算放大器以實(shí)現(xiàn)容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)的另一種方法是在運(yùn)算放大器的輸出端子和負(fù)載電容之間增加一個(gè)電阻RX，如下所示。雖然顯然在反饋環(huán)路之外，但它與負(fù)載電容一起將零點(diǎn)引入反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)中，從而減少高頻下的環(huán)路相移。

為保證穩(wěn)定性，R的值X應(yīng)使添加的零（fZ）至少比運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)帶寬低十倍頻程。隨著R的加入X，電路性能不會(huì)受到第一種方法增加的輸出噪聲的影響，但負(fù)載看到的輸出阻抗會(huì)增加。這會(huì)降低信號(hào)增益，因?yàn)殡娮璺謮浩饔蒖形成X和 RL.如果 RL已知且合理恒定，增益損耗的結(jié)果可以通過增加運(yùn)算放大器電路的增益來抵消。

這種方法在驅(qū)動(dòng)輸電線路方面非常有效。R 的值L和 RX必須等于電纜的特性阻抗（通常為 50 歐姆或 75 歐姆），以避免駐波。所以 RX是預(yù)先確定的，剩下的就是將放大器的增益加倍，以抵消電阻分壓器的信號(hào)損耗。問題解決了。

環(huán)內(nèi)補(bǔ)償：如果 RL未知或動(dòng)態(tài)，增益級(jí)的有效輸出電阻必須保持較低水平。在這種情況下，連接 R 可能會(huì)很有用X在整個(gè)反饋循環(huán)中，如下所示。在這種配置下，直流和低頻反饋來自負(fù)載本身，允許從輸入到負(fù)載的信號(hào)增益不受分壓器R的影響X和 RL.

增加的電容器，CF，在該電路中允許消除 C 貢獻(xiàn)的極點(diǎn)和零點(diǎn)L.簡單地說，C的零F與 C 的極點(diǎn)重合L和 C 的極點(diǎn)F與 C 的零L.因此，整體傳遞函數(shù)和相位響應(yīng)就像根本沒有電容一樣。為了確保消除兩個(gè)極點(diǎn)/零點(diǎn)組合，必須準(zhǔn)確求解上述方程。還要注意條件;如果負(fù)載電阻相對(duì)較大，則很容易滿足它們。

當(dāng) RO不得而知。在這種情況下，設(shè)計(jì)過程變成了猜謎游戲和原型設(shè)計(jì)的噩夢。關(guān)于 SPICE 的注意事項(xiàng)：運(yùn)算放大器的 SPICE 模型不能準(zhǔn)確模擬開環(huán)輸出電阻 （RO）;因此，它們不能完全取代補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的實(shí)證設(shè)計(jì)。

同樣重要的是要注意 CL必須具有已知（和常量）值才能應(yīng)用此技術(shù)。在許多應(yīng)用中，放大器驅(qū)動(dòng)“開箱即用”的負(fù)載，而L從一個(gè)負(fù)載到下一個(gè)負(fù)載可能會(huì)有很大差異。最好只在C時(shí)使用上述電路L是封閉系統(tǒng)的一部分。

其中一種應(yīng)用涉及基準(zhǔn)電壓的緩沖或反相，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的去耦電容。在這里，CL是一個(gè)固定值，允許準(zhǔn)確消除極點(diǎn)/零點(diǎn)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）可能非常有益。此外，可能去耦基準(zhǔn)電壓（通常是許多微法拉）的大容量電容無法通過任何其他方法進(jìn)行補(bǔ)償。

上述三種補(bǔ)償技術(shù)各有利弊。您現(xiàn)在應(yīng)該知道足夠的知識(shí)來決定哪種最適合您的應(yīng)用程序。這三款產(chǎn)品均適用于“標(biāo)準(zhǔn)”、單位增益穩(wěn)定、電壓反饋型運(yùn)算放大器。請(qǐng)繼續(xù)閱讀，了解使用專用放大器的一些技術(shù)。

Q. 我的運(yùn)算放大器有一個(gè)“補(bǔ)償”引腳。我能否對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行過度補(bǔ)償，使其在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)保持穩(wěn)定？

答：是的。這是補(bǔ)償負(fù)載電容的最簡單方法。目前，大多數(shù)運(yùn)算放大器都針對(duì)單位增益穩(wěn)定性進(jìn)行了內(nèi)部補(bǔ)償，因此不提供“過補(bǔ)償”選項(xiàng)。但許多器件只有在非常高的噪聲增益下才具有固有的穩(wěn)定性。這些運(yùn)算放大器有一個(gè)引腳，外部電容可以連接到該引腳，以降低主極點(diǎn)的頻率。為了在較低增益下穩(wěn)定工作，必須將增加的電容連接到該引腳，以降低增益帶寬積。當(dāng)必須驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，進(jìn)一步增加（過度補(bǔ)償）可以提高穩(wěn)定性，但以犧牲帶寬為代價(jià)。

問：到目前為止，您只討論了電壓反饋運(yùn)算放大器，對(duì)嗎？電流反饋（CF）運(yùn)算放大器在容性負(fù)載下的行為是否類似？我可以使用此處討論的任何補(bǔ)償技術(shù)嗎？

一個(gè)。電流反饋架構(gòu)的某些特性在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)需要特別注意，但對(duì)電路的總體影響是相同的。增加的極點(diǎn)與運(yùn)算放大器輸出電阻相結(jié)合，會(huì)增加相移并降低相位裕量，從而可能導(dǎo)致峰值、振鈴甚至振蕩。然而，由于不能說CF運(yùn)算放大器具有“增益帶寬乘積”（帶寬對(duì)增益的依賴性要小得多），因此不能僅僅通過增加噪聲增益來大幅提高穩(wěn)定性。這使得第一種方法不切實(shí)際。此外，電容器（CF） 不應(yīng)置于 CF 運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中，從而使第三種方法無效。補(bǔ)償電流反饋型運(yùn)算放大器以驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的最直接方法是在放大器輸出端增加一個(gè)“環(huán)外”串聯(lián)電阻，如方法2所示。

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問：這很有信息量，但我寧愿不處理這些方程中的任何一個(gè)。此外，我的電路板已經(jīng)布置好了，我不想放棄這個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行。是否有任何運(yùn)算放大器在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)具有固有的穩(wěn)定性？

答：是的。ADI公司生產(chǎn)的幾款運(yùn)算放大器可驅(qū)動(dòng)“無限”負(fù)載電容，同時(shí)保持出色的相位裕量。表中列出了它們，以及其他一些可將容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)至指定值的運(yùn)算放大器。關(guān)于“無限制”電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)器件：不要期望在驅(qū)動(dòng)10 μF時(shí)獲得與驅(qū)動(dòng)純阻性負(fù)載時(shí)相同的壓擺率。

審核編輯：郭婷