運算放大器容性負載驅動分析

問：為什麼我要考慮驅動容性負載問題?

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/187149.htm

答：通常這是無法選擇的。在大多數情況下，負載電容並非人為地所加電容。它常常是人們不希望的一種客觀存在，例如一段同軸電纜所表現出的電容效應。但是在有些情況下，要求對運算放大器的輸出端的直流電壓進行去耦。例如，當運放被用作基準電壓的倒相或驅動一個動態負載時。在這種情況下，你也許在運放的輸出端直接連接旁路電容。不論哪種
情況，容性負載都要對運放的性能有影響。

問：容性負載如何影響運放的性能?
答：為簡單起見，可將放大器看成一個振蕩器。每個運放都有一個內部輸出電阻RO，當它與容性負載相接時，在運放傳遞函數上產生一個附加的極點。正如圖1(b)波特圖幅頻特性曲線表示，附加極點的幅頻特性斜率比主極點20dB/十倍頻程更徒。從相頻特性曲線圖1(c)中可以看出，每個附加極點的相移都增加-90°。

圖1 容性負載電路及其波特圖

我們可用圖1(b)或圖1(c)來判斷電路的穩定性。從圖1(b)中可以看出，當開環增益和反饋衰減之和大於1時，電路會不穩定。同樣，在圖1(c)中，如果某一工作頻率低於閉環帶寬，在這個頻率下環路相移超過-180°時，運放會出現振蕩。電壓反饋型運算放大器(VFA)的閉環帶寬等於運放增益帶寬積(GBP，或單位增益頻率)除以電路閉環增益(A CL )。運算放大器電路的相位裕度定義為使電路不穩定所要求的閉環帶寬處對應的附加相移(即環路相移十相位裕度=-180°)。當相位裕度為0時，環路相移為-180°，此運放電路不穩定。通常，當相位裕度小於45°時，會出現問題，例如頻響「尖峰」，階躍響應中的過衝或「振鈴」。為了使相位裕度留有餘地，容性負載產生的附加極點至少應比電路的閉環帶寬高10倍，如果不是這樣電路可能不穩定。

問：那麼我應該如何處理容性負載?
答：首先我們應該確定運放是否能穩定地驅動自身負載。許多運放數據手冊都給出「容性負載驅動能力」這項指標。還有一些運放提供「小信號過衝與容性負載關係曲線」，從中你可以看到過衝與附加負載電容呈指數關係增加，當達到100%時，運放不穩定。如果有可能，應該使運放過衝遠離100%。還應注意這條曲線對應指定增益。對於VFA，容性負載驅
動能力隨增益成比例增加。所以，如果在增益為1時，VFA可穩定驅動100pF容性負載，那麼在增益為10時，便能驅動1000pF容性負載。也有少數運放的產品說明中給出開環輸出電阻RO，從而可以計算出上述附加極點的頻率fP= 1/2πROCL 。如果附加極點fP大於上述電路帶寬10倍，則電路穩定。如果運放的產品說明沒有提供容性負載驅動能力或開環輸出電阻的指標，也沒有給出過衝與容性負載關係曲線，那麼要保證電路穩定，你必須對容性負載採取必要的補償措施。要使標準運放驅動容負載工作穩定有許多處理方法，下面介紹幾種。

(1)提高噪聲增益法
使低頻電路穩定的有效方法，也是設計者常常忽略的方法，就是增加電路的閉環增益(即噪聲增益)，而不改變信號增益，這樣可在開環增益與反饋衰減到0dB帶寬之積恆定條件下降低噪聲帶寬。具體電路如圖2所示。在圖2(a)中，在運放的兩個輸入端之間接電阻RD。此時電路的增益可由給定公式計算。因為是噪聲增益而不是信號增益支配穩定性，所以

圖2 提高效大器噪聲增益電路
電路穩定性的提高不影響信號增益。為保證電路穩定，最簡單的方法是使噪聲帶寬至少應比容性負載極點頻率低10倍頻程。

圖3 環路增益波特圖
這種方法的缺點是輸入端電壓噪聲和輸入失調電壓被放大產生附加的輸出電壓噪聲和輸出失調電壓增加。用一個電容CD與電阻RD串聯可以消除附加的直流失調電壓，但增加的電壓噪聲是器件固有的，不能消除。當選用CD時，其電容值應儘可能大。為保證噪聲極點至少低於「噪聲帶寬」10倍，CD最小應取10A NOISE /2πRDGBP。

(2)環路外補償法
這種方法是在運放的輸出端和負載電容之間串入一個電阻RX，如圖4所示。雖然RX加在反饋環路的外部，但它可將負載電容產生的附加零點頻率fZ作用到反饋網絡的傳遞函數，從而可以減小高頻環路相移。為了保證電路穩定，RX的取值應該使附加零點頻率至少比運放電路閉環帶寬低10倍。電路加入RX使電路性能不會像方法1那樣增加輸出噪聲，但是從負載端看進去的輸出阻抗要增加。由於RX和RL構成分壓器，從而會使信號增益降低。如果RL已知並且適當地恆定，那麼增益降低值可通提高運放電路的增益來補償。這種方法用於驅動傳輸線路非常有用。RL和RX值必須等於電纜的特徵阻抗(通常為50Ω和75Ω)，以免產生駐波。因此，先確定RX值，其餘其它電阻值要使放大器的增益加倍，用來補償由電阻分壓作用降低的信號增益，從而解決問題。