運(yùn)算放大器如何驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載

本應(yīng)用筆記介紹了運(yùn)算放大器如何驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載。為了更深入地研究該主題，將模擬作為表示數(shù)據(jù)的一種方式進(jìn)行顯示。本說明將幫助工程師設(shè)計(jì)更有效的模擬電路，從而能夠克服常見的局限性和獲得更好輸出的障礙。

從理想到現(xiàn)實(shí)：從基礎(chǔ)開始

有經(jīng)驗(yàn)的人知道，運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載的最常見問題是運(yùn)算放大器周圍環(huán)路的穩(wěn)定性。圖1顯示了一個(gè)簡單的“理想”運(yùn)算放大器電路，其增益為-1來驅(qū)動(dòng)1 μF電容性負(fù)載。

現(xiàn)在，如果這個(gè)運(yùn)算放大器是理想的，它將具有零輸出阻抗，并且負(fù)載電容不會(huì)對其周圍環(huán)路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。正如我希望您已經(jīng)知道的那樣，理想的運(yùn)算放大器在現(xiàn)實(shí)世界中根本不可用。

任何實(shí)際的運(yùn)算放大器都有一定的輸出阻抗。為了簡單起見，我們假設(shè)輸出阻抗是一個(gè)電阻。圖2明確顯示了該運(yùn)算放大器的輸出電阻。

現(xiàn)在，我們有了一個(gè)帶有ROUT和C1的RC低通濾波器。產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率為：

理想的運(yùn)算放大器具有無限的增益，而真正的運(yùn)算放大器具有非常高的有限的DC增益。它還在一個(gè)相當(dāng)?shù)偷念l率上具有一個(gè)極點(diǎn)，導(dǎo)致運(yùn)算放大器的增益下降，最終在更高的頻率下達(dá)到單位增益。該極點(diǎn)稱為主導(dǎo)極點(diǎn)。在設(shè)計(jì)良好的運(yùn)算放大器中，總是有更多的極點(diǎn)，所有極點(diǎn)的頻率都高于單位增益頻率。對于大多數(shù)實(shí)際目的，我們可以僅考慮這些極點(diǎn)中的第一個(gè)進(jìn)行分析。

不要“迷失在香料中”

在我們進(jìn)一步研究之前，我想提一提關(guān)于Spice模型的實(shí)際使用的重大警告。在整個(gè)應(yīng)用筆記中，我們將使用Spice模擬代替實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際工作。我之所以經(jīng)常這樣做，是因?yàn)樗棺x者能夠在計(jì)算機(jī)上快速使用基本電路和概念。這也是在廣泛的范圍內(nèi)清楚地展示基本概念和特征的一種更有效的方法。盡管如此，讀者也必須提防使用模擬器的任何人，并且要避免相信模擬結(jié)果是絕對事實(shí)。

Spice僅提供最多與我們提供的輸入一樣準(zhǔn)確的結(jié)果，例如真實(shí)組件的模型以及我們?nèi)绾卧O(shè)置和使用它。如果我們不利用我們的實(shí)踐知識(shí)和健康的懷疑態(tài)度，香料可能會(huì)并且將產(chǎn)生不正確的結(jié)果。

最終，如果您希望在Spice中正常工作，則必須減少您在Spice中所做的任何事情。

讓我們開始仿真

我們正在使用一個(gè)參數(shù)化的運(yùn)算放大器模型，該模型是TINA標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分，TINA是本應(yīng)用筆記中使用的模擬器。圖3顯示了可調(diào)參數(shù)表。

該模型使我們能夠更改運(yùn)算放大器的特性以適應(yīng)我們的需求，而無需花費(fèi)時(shí)間尋找具有所需精確規(guī)格的真正運(yùn)算放大器。

現(xiàn)在，我們將使用默認(rèn)參數(shù)。對我們來說關(guān)鍵的是：

開環(huán)增益：200k（106 dB）

主導(dǎo)極點(diǎn)：5 Hz

第二極點(diǎn)：10 MHz

輸出電阻：75Ω

請注意，前兩項(xiàng)將增益帶寬乘積（GBWP）確定為1 MHz（200k×5 Hz）。

圖4顯示了運(yùn)算放大器的開環(huán)增益和相位。

盡管很難在這種規(guī)模上目視分辨，但低頻增益確實(shí)如所承諾的是106 dB。然后，我們在5 Hz處看到一個(gè)極點(diǎn)，用紅色光標(biāo)指示?，F(xiàn)在給您一個(gè)提示：通過查看-45°點(diǎn)的相位圖而不是增益圖的-3 dB點(diǎn)，可以更容易地確定單個(gè)極點(diǎn)的精確位置。在這種情況下，我們從180°相位開始（使用運(yùn)算放大器反相輸入以確保與隨后的相位保持一致），因此-45°點(diǎn)為135°。

我們還看到第二個(gè)極點(diǎn)位于10MHz，用藍(lán)色光標(biāo)指示。

電容負(fù)載如何工作？

既然我們知道了運(yùn)放的顯著特性，我們將回到容性負(fù)載電路（圖1）。我們已經(jīng)知道我們的運(yùn)算放大器的極點(diǎn)為5 Hz，因此大約50Hz時(shí)，我們只有90°的裕度可以工作。回想一下，1 μF的容性負(fù)載與我們的75Ω輸出電阻相結(jié)合，使我們在2.122 kHz處得到另一個(gè)極點(diǎn)。這意味著到22 kHz左右，我們應(yīng)該用盡相位裕量。如果我們這里還剩下任何環(huán)路增益，那么電路將非常不穩(wěn)定。讓我們來看看。

圖5顯示了與圖1相同的電路中的參數(shù)化運(yùn)算放大器，但增加了一些新的組件，特別是Vt，Ct和Lt。

需要這些附加組件來測量環(huán)路，而又不會(huì)破壞環(huán)路的直流路徑。從理論上講，使用完美的運(yùn)算放大器，我們可以將反饋電阻與運(yùn)算放大器的輸出斷開，將信號(hào)注入到電阻的此斷開端，然后測量運(yùn)算放大器的輸出以了解環(huán)路增益是多少。 。但是，如果環(huán)路沒有閉合（至少對于DC而言），那么小的偏移量將導(dǎo)致輸出飽和。請記住：我們的運(yùn)算放大器的DC增益為200k，因此僅1 mV的偏移就可產(chǎn)生200 V的輸出。

我們在運(yùn)算放大器的輸出和反饋電阻之間放置一個(gè)電感值Lt，該電感值必須大，以確保負(fù)載電容與運(yùn)算放大器保持一致，以便其與運(yùn)算放大器的輸出電阻發(fā)生反應(yīng)。然后，我們使用與信號(hào)源串聯(lián)的大容量電容器Ct將信號(hào)注入反饋電阻的輸出端。這些較大的分量值確保了對于DC而言，環(huán)路仍然是閉合的，但是這些增加的分量將不會(huì)影響感興趣頻率下的測量。這種方法實(shí)際上僅在“香料之地”中有效，因?yàn)槲覀兛梢該碛芯哂腥绱舜髢r(jià)值的組件。

由于我們正在驅(qū)動(dòng)該電路的輸出，因此R1的正常輸入已接地。現(xiàn)在是進(jìn)行快速仿真的時(shí)候了（圖6）。

圖6中的紅色光標(biāo)指示由電容性負(fù)載引起的極點(diǎn)位置。藍(lán)色光標(biāo)位于單位增益交叉處，指示3°的相位裕度。當(dāng)然，這對于穩(wěn)定性很糟糕。

一些最終觀察結(jié)果

現(xiàn)在，下一步當(dāng)然是在實(shí)驗(yàn)室中使用真實(shí)電路驗(yàn)證所有這些內(nèi)容，以確保我們獲得預(yù)期的性能。作者在多年前就建造了該電路，并驗(yàn)證了其正常工作。

在當(dāng)今與芯片上的數(shù)百萬個(gè)晶體管高度集成的今天，有時(shí)我們?nèi)匀恍枰褂脝蝹€(gè)分立晶體管來完成工作。但是，要使電路正常工作，我們必須依賴于基本電子學(xué)的基本知識(shí)。一直需要這些基礎(chǔ)知識(shí)，好奇心和健康的懷疑態(tài)度，但如今，使用我們先進(jìn)的產(chǎn)品和工具，這些問題變得尤為重要。

編輯：hfy