運(yùn)算放大器容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)分析

問(wèn)：為什么我要考慮驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載問(wèn)題?

答：通常這是無(wú)法選擇的。在大多數(shù)情況下，負(fù)載電容并非人為地所加電容。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(xiàn)出的電容效應(yīng)。但是在有些情況下，要求對(duì)運(yùn)算放大器的輸出端的直流電壓進(jìn)行去耦。例如，當(dāng)運(yùn)放被用作基準(zhǔn)電壓的倒相或驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)。在這種情況下，你也許在運(yùn)放的輸出端直接連接旁路電容。不論哪種
情況，容性負(fù)載都要對(duì)運(yùn)放的性能有影響。

問(wèn)：容性負(fù)載如何影響運(yùn)放的性能?
答：為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可將放大器看成一個(gè)振蕩器。每個(gè)運(yùn)放都有一個(gè)內(nèi)部輸出電阻RO，當(dāng)它與容性負(fù)載相接時(shí)，在運(yùn)放傳遞函數(shù)上產(chǎn)生一個(gè)附加的極點(diǎn)。正如圖1(b)波特圖幅頻特性曲線表示，附加極點(diǎn)的幅頻特性斜率比主極點(diǎn)20dB/十倍頻程更徒。從相頻特性曲線圖1(c)中可以看出，每個(gè)附加極點(diǎn)的相移都增加-90°。

圖1 容性負(fù)載電路及其波特圖

我們可用圖1(b)或圖1(c)來(lái)判斷電路的穩(wěn)定性。從圖1(b)中可以看出，當(dāng)開(kāi)環(huán)增益和反饋衰減之和大于1時(shí)，電路會(huì)不穩(wěn)定。同樣，在圖1(c)中，如果某一工作頻率低于閉環(huán)帶寬，在這個(gè)頻率下環(huán)路相移超過(guò)-180°時(shí)，運(yùn)放會(huì)出現(xiàn)振蕩。電壓反饋型運(yùn)算放大器(VFA)的閉環(huán)帶寬等于運(yùn)放增益帶寬積(GBP，或單位增益頻率)除以電路閉環(huán)增益(A CL )。運(yùn)算放大器電路的相位裕度定義為使電路不穩(wěn)定所要求的閉環(huán)帶寬處對(duì)應(yīng)的附加相移(即環(huán)路相移十相位裕度=-180°)。當(dāng)相位裕度為0時(shí)，環(huán)路相移為-180°，此運(yùn)放電路不穩(wěn)定。通常，當(dāng)相位裕度小于45°時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，例如頻響“尖峰”，階躍響應(yīng)中的過(guò)沖或“振鈴”。為了使相位裕度留有余地，容性負(fù)載產(chǎn)生的附加極點(diǎn)至少應(yīng)比電路的閉環(huán)帶寬高10倍，如果不是這樣電路可能不穩(wěn)定。

問(wèn)：那么我應(yīng)該如何處理容性負(fù)載?
答：首先我們應(yīng)該確定運(yùn)放是否能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)自身負(fù)載。許多運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊(cè)都給出“容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力”這項(xiàng)指標(biāo)。還有一些運(yùn)放提供“小信號(hào)過(guò)沖與容性負(fù)載關(guān)系曲線”，從中你可以看到過(guò)沖與附加負(fù)載電容呈指數(shù)關(guān)系增加，當(dāng)達(dá)到100%時(shí)，運(yùn)放不穩(wěn)定。如果有可能，應(yīng)該使運(yùn)放過(guò)沖遠(yuǎn)離100%。還應(yīng)注意這條曲線對(duì)應(yīng)指定增益。對(duì)于VFA，容性負(fù)載驅(qū)
動(dòng)能力隨增益成比例增加。所以，如果在增益為1時(shí)，VFA可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)100pF容性負(fù)載，那么在增益為10時(shí)，便能驅(qū)動(dòng)1000pF容性負(fù)載。也有少數(shù)運(yùn)放的產(chǎn)品說(shuō)明中給出開(kāi)環(huán)輸出電阻RO，從而可以計(jì)算出上述附加極點(diǎn)的頻率fP= 1/2πROCL 。如果附加極點(diǎn)fP大于上述電路帶寬10倍，則電路穩(wěn)定。如果運(yùn)放的產(chǎn)品說(shuō)明沒(méi)有提供容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力或開(kāi)環(huán)輸出電阻的指標(biāo)，也沒(méi)有給出過(guò)沖與容性負(fù)載關(guān)系曲線，那么要保證電路穩(wěn)定，你必須對(duì)容性負(fù)載采取必要的補(bǔ)償措施。要使標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)容負(fù)載工作穩(wěn)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(wěn)定的有效方法，也是設(shè)計(jì)者常常忽略的方法，就是增加電路的閉環(huán)增益(即噪聲增益)，而不改變信號(hào)增益，這樣可在開(kāi)環(huán)增益與反饋衰減到0dB帶寬之積恒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(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間接電阻RD。此時(shí)電路的增益可由給定公式計(jì)算。因?yàn)槭窃肼曉鲆娑皇切盘?hào)增益支配穩(wěn)定性，所以

圖2 提高效大器噪聲增益電路
電路穩(wěn)定性的提高不影響信號(hào)增益。為保證電路穩(wěn)定，最簡(jiǎn)單的方法是使噪聲帶寬至少應(yīng)比容性負(fù)載極點(diǎn)頻率低10倍頻程。

圖3 環(huán)路增益波特圖
這種方法的缺點(diǎn)是輸入端電壓噪聲和輸入失調(diào)電壓被放大產(chǎn)生附加的輸出電壓噪聲和輸出失調(diào)電壓增加。用一個(gè)電容CD與電阻RD串聯(lián)可以消除附加的直流失調(diào)電壓，但增加的電壓噪聲是器件固有的，不能消除。當(dāng)選用CD時(shí)，其電容值應(yīng)盡可能大。為保證噪聲極點(diǎn)至少低于“噪聲帶寬”10倍，CD最小應(yīng)取10A NOISE /2πRDGBP。

(2)環(huán)路外補(bǔ)償法
這種方法是在運(yùn)放的輸出端和負(fù)載電容之間串入一個(gè)電阻RX，如圖4所示。雖然RX加在反饋環(huán)路的外部，但它可將負(fù)載電容產(chǎn)生的附加零點(diǎn)頻率fZ作用到反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，從而可以減小高頻環(huán)路相移。為了保證電路穩(wěn)定，RX的取值應(yīng)該使附加零點(diǎn)頻率至少比運(yùn)放電路閉環(huán)帶寬低10倍。電路加入RX使電路性能不會(huì)像方法1那樣增加輸出噪聲，但是從負(fù)載端看進(jìn)去的輸出阻抗要增加。由于RX和RL構(gòu)成分壓器，從而會(huì)使信號(hào)增益降低。如果RL已知并且適當(dāng)?shù)睾愣?，那么增益降低值可通提高運(yùn)放電路的增益來(lái)補(bǔ)償。這種方法用于驅(qū)動(dòng)傳輸線路非常有用。RL和RX值必須等于電纜的特征阻抗(通常為50Ω和75Ω)，以免產(chǎn)生駐波。因此，先確定RX值，其余其它電阻值要使放大器的增益加倍，用來(lái)補(bǔ)償由電阻分壓作用降低的信號(hào)增益，從而解決問(wèn)題。

(3)環(huán)路內(nèi)補(bǔ)償法
如果RL值未知，或者是動(dòng)態(tài)值，那么增益級(jí)的有

圖4 環(huán)路外補(bǔ)償法
效輸出電阻必須很低。在這種情況下，在整個(gè)反饋環(huán)路內(nèi)接一個(gè)電阻RX是很有用的，如圖5所示。在這個(gè)電路中，由于直流和低頻反饋都是來(lái)自負(fù)載電阻RL，所以從輸入端到負(fù)載的信號(hào)增益不受分壓器RX和RL的影響。

圖5 環(huán)路內(nèi)補(bǔ)償法
RX=RORGRF
CF=RO+RXRF·CL
在這個(gè)電路中外接的電容CF是用來(lái)抵消CL產(chǎn)生的附加極點(diǎn)和零點(diǎn)。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，CF產(chǎn)生的零點(diǎn)頻率應(yīng)該與CL產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率相一致，CF產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率應(yīng)該與CL產(chǎn)生的零點(diǎn)頻率相一致。因此整個(gè)傳遞函數(shù)和相頻響應(yīng)好像似沒(méi)有電容作用一樣。為了確保極點(diǎn)和零點(diǎn)作用相互抵消，圖5中的方程必須求解準(zhǔn)確。還應(yīng)注意方程成立的條件：RF?RO,RG?RO，RL?RO。如果負(fù)載電阻很大，這些條件容易滿足。

當(dāng)RO未知時(shí)，計(jì)算則很困難。在這種情況下，設(shè)計(jì)過(guò)程變成猜謎游戲。應(yīng)該注意“SPICE”這個(gè)詞：運(yùn)算放大器的SPICE模型是一種不能精確地表示運(yùn)放開(kāi)環(huán)輸出電阻RO的模型，所以這種模型不能完全取代傳統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法。還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出的是，為了采用這種方法，CL必須已知(且為常數(shù))。在許多應(yīng)用中，放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)電路外部的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載改換時(shí)，CL也應(yīng)該適當(dāng)變化。只有當(dāng)CL接入閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，使用上述電路才最適合。這種在基準(zhǔn)電壓的緩沖器或倒相器中，驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的去耦電容。這里CL是固定值，可以精確地抵消極點(diǎn)和零點(diǎn)的作用。與前兩種方法相比，這種方法非常適合用于低直流輸出電阻和低噪聲的情況。而且像對(duì)基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行去耦的那么大的容性負(fù)載(一般幾微法)，用其它方法補(bǔ)償都是不切實(shí)際的。

上述三種補(bǔ)償方法都各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。為了對(duì)你的應(yīng)用做出最好的選擇，應(yīng)該對(duì)它們有足
夠的認(rèn)識(shí)。這三種方法都適合用于“標(biāo)準(zhǔn)”用法，即單位增益穩(wěn)定，電壓反饋運(yùn)算放大器(V
FA)。對(duì)于特殊應(yīng)用的放大器，讀者應(yīng)該采用其它方法。

問(wèn)：我的運(yùn)放有一個(gè)“補(bǔ)償”腳。當(dāng)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，為使電路保持穩(wěn)定，我能用它對(duì)運(yùn)放進(jìn)行補(bǔ)償嗎?

答：可以。這是對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖詈?jiǎn)單的方法?，F(xiàn)在許多運(yùn)放都帶有使單位增益穩(wěn)定的內(nèi)部補(bǔ)償電路。但是許多運(yùn)放只有在很高噪聲增益下才能一直保持固有的穩(wěn)定性。這類運(yùn)放有一個(gè)與外部電容相連的引腳，用來(lái)減少主極點(diǎn)頻率。為了在低增益時(shí)工作穩(wěn)定，外接電容必須靠近這個(gè)引腳，以減小增益帶寬積。當(dāng)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，增加外接電容過(guò)補(bǔ)償)可以提高穩(wěn)定性，但是帶寬降低。

問(wèn)：到現(xiàn)在為止，你只討論了VFA的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，是嗎?那么對(duì)于電流反饋運(yùn)算放大器(CFA)的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)問(wèn)題應(yīng)如何處理?上述討論的那些方法，我可以使用嗎?

答：當(dāng)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，對(duì)CFA的一些特性要特別注意，但容性負(fù)載對(duì)電路的影響是相同的。與運(yùn)放輸出電阻相連的容性負(fù)載產(chǎn)生附加極點(diǎn)，從而增加相移并降低相位裕度，有可能產(chǎn)生尖峰、振鈴，甚至振蕩。但是，因?yàn)镃FA不存在增益帶寬積這個(gè)概念(帶寬依賴于增益的程度很小)，所以通過(guò)簡(jiǎn)單增加噪聲增益的方法，對(duì)提高電路穩(wěn)定性沒(méi)有顯著作用。這樣便使第一種方法失效。另外，電容絕不應(yīng)接入CFA反饋環(huán)路，這樣又使第三種方法失效。對(duì)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的CFA進(jìn)行補(bǔ)償最合適的方法是方法2，在環(huán)路外串接一個(gè)電阻。

問(wèn)：你上述介紹了一些很有用的方法，但是我還不能處理容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。另外，我的印制線路板已經(jīng)制好，并且不想報(bào)廢。請(qǐng)問(wèn)是否有驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載自身很穩(wěn)定的運(yùn)放?

答：有。ADI公司提供一些很有用的運(yùn)放，它們既能驅(qū)動(dòng)“無(wú)限制”容性負(fù)載，同時(shí)又能保持優(yōu)良的相位裕度，如表1所示。表1還給出了驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載可高達(dá)規(guī)定值的另一類運(yùn)放。所謂驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載“無(wú)限制”并不是意味著驅(qū)動(dòng)10μF容性負(fù)載像驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載那樣具有相同的轉(zhuǎn)換速率。