從3個公式看輸入電容對運算放大器的危害

2020-11-21 電子工程專輯

在設計運算放大器時，是不可能不含輸入電容的，而運算放大器的印刷電路板上就包含更多了（圖1）。除了反饋電容器CF，其他所有電容都是雜散電容，它們會影響電路的穩定性。 例如，如果人為將這些電容設置為零，則可以用公式1求得環路增益。運算放大器的開環增益a包含幅度和相位成分，因此波特（對數穩定性）圖中會產生相移。波特圖上的臨界點是增益幅度等於零（增益=1）的點；180°與實際相移之間的差是相位裕量。

外部元件是電阻性的；令RG=RF，可以使環路增益降低6dB。這可以進一步增強穩定性，並使波特圖上的縱截距下降6dB，而極點位置保持不變。公式2給出了具有實際輸入電容（CF = 0）的反相放大器的環路增益，如圖1所示。

該輸入電容向環路增益增加了一個極點，並且當RG和RF的並聯值較小時，例如500Ω，極點位置位於f = 16.76 MHz處。該極點在其位置頻率的十分之一處引起的相移基本為零，因此輸入電容不會影響增益帶寬小於1.676 MHz的運算放大器。當運算放大器的增益帶寬超過1.676 MHz時，該極點引起的相移會增加至環路增益相移，並且運算放大器會產生過衝、振鈴、隨後振蕩，這取決於其相位響應。

增加RG和RF的並聯值會導致極點頻率降低（RF || RG = 5kΩ時，f = 0.1676 MHz）。因此，相移發生得越快，不穩定性問題就越嚴重。傳統的解決辦法是，使高頻運算放大器電路中的電阻較小，以最大程度地減小雜散輸入電容的影響。解決輸入電容問題的另一種方案是增加一個反饋電容CF。當電路中有輸入和反饋電容時，由公式3可以計算出其環路增益。

公式3中的零點始終先於極點；因此，它的相移抵消了一部分負相移，直到極點起作用。通過使RFCF = RGCG，電路就可以獨立於兩個電容器。這種方法對閉環帶寬性能而言通常並不是最佳選擇，因此工程師選擇使用較小的CF值。通過優化電阻值、電容值和運算放大器帶寬可以獲得最佳的高頻性能，但在實驗室，2CF = CG是一個極好的起點。

反相運放和同相運放的穩定性是一樣的，因為穩定性與輸入無關。反相運算放大器的工作很像理論預測，但是同相運算放大器的抗共模能力較低，因為一部分輸入信號通過差分電容器（CD）饋入反相節點。抗共模性能的下降僅在高頻時才明顯。

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