提高放大器性能,先這樣“制服”容性負(fù)載吧
發(fā)布時(shí)間:2018-06-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】容性負(fù)載一定會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能。簡(jiǎn)單地說(shuō),容性負(fù)載可以將放大器變?yōu)檎袷幤?。今天我們就?lái)說(shuō)說(shuō)——容性負(fù)載如何將放大器變?yōu)檎袷幤鳎咳绾翁幚砣菪载?fù)載?
放大器變振蕩器?這是有原理的!
運(yùn)算放大器固有的輸出電阻Ro與容性負(fù)載一起,構(gòu)成放大器傳遞函數(shù)的另一個(gè)極點(diǎn)。如波特圖所示,在每個(gè)極點(diǎn)處,幅度斜率(負(fù)值)減小20dB/10倍。請(qǐng)注意各極點(diǎn)如何增加多達(dá)-90°的相移。我們可以從兩個(gè)角度來(lái)考察不穩(wěn)定性問(wèn)題。請(qǐng)看對(duì)數(shù)圖上的幅度響應(yīng),當(dāng)開(kāi)環(huán)增益與反饋衰減之和大于1時(shí),電路就會(huì)變得不穩(wěn)定。類(lèi)似地,還可以看相位響應(yīng),在環(huán)路相移超過(guò)-180°的頻率,如果此頻率低于閉環(huán)帶寬,則運(yùn)算放大器往往會(huì)發(fā)生振蕩。電壓反饋型運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)帶寬等于運(yùn)算放太器的增益帶寬積(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余量可以看作是使電路變得不穩(wěn)定時(shí)所需的閉環(huán)帶寬的額外相移量(即相移+相位余量=-180°)。隨著相位余量趨于0,環(huán)路相移趨于-180°,運(yùn)算放大器電路便趨于不穩(wěn)定。通常而言,如果相位余量值遠(yuǎn)小于45°,就會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)的尖峰,以及階躍響應(yīng)時(shí)的過(guò)沖或響鈴振蕩等問(wèn)題。為了保持足夠的相位余量,容性負(fù)載所產(chǎn)生的極點(diǎn)至少應(yīng)比電路的閉環(huán)帶寬高10倍。如果不是這樣,請(qǐng)考慮電路不穩(wěn)定的可能性。
如何處理容性負(fù)載?教你三招
首先應(yīng)當(dāng)確定,運(yùn)算放大器能否安全地驅(qū)動(dòng)自身負(fù)載。許多運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了“容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力”,另有一些則提供了關(guān)于“小信號(hào)過(guò)沖與容性負(fù)載之間關(guān)系”的典型數(shù)據(jù)。查看這些數(shù)值,可以發(fā)現(xiàn)過(guò)沖隨著負(fù)載電容增加成倍遞增。當(dāng)過(guò)沖接近100%時(shí),運(yùn)算放大器便趨于不穩(wěn)定。如果可能,請(qǐng)讓過(guò)沖遠(yuǎn)低于此限值。另外請(qǐng)注意,此圖針對(duì)特定增益而言。對(duì)于電壓反饋型運(yùn)算放大器,容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力隨著增益的增加而提高。因此,在單位增益時(shí)能夠安全驅(qū)動(dòng)100pF電容的電壓反饋型運(yùn)算放大器,在增益為10時(shí)應(yīng)當(dāng)能夠驅(qū)動(dòng)1000pF電容。
一些運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了開(kāi)環(huán)輸出電阻(Ro),由此可算出上述附加極點(diǎn)的頻率。如果附加極點(diǎn)的頻率(fp)比電路帶寬高出10倍,電路將保持穩(wěn)定。
如果運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)有說(shuō)明容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力或開(kāi)環(huán)輸出電阻,并且沒(méi)有提供過(guò)沖與容性負(fù)載的關(guān)系圖,那么為了確保穩(wěn)定性,必須假設(shè)任何負(fù)載電容均要求采取某種補(bǔ)償技術(shù)。有許多方法都能使標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器電路穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載,下面是其中幾種:
噪聲增益操控
這是一種在低頻應(yīng)用中保持穩(wěn)定的有效方法,然而卻經(jīng)常被設(shè)計(jì)人員所忽略。其原理是提高電路的閉環(huán)增益(也稱(chēng)為“噪聲增益”),而不改變信號(hào)增益,從而降低開(kāi)環(huán)增益與反饋衰減之積變?yōu)?的頻率。在一些電路的運(yùn)算放大器輸入端之間連接RD即可實(shí)現(xiàn),如下圖所示。利用所給的公式可求得這些電路的“噪聲增益”。
由于穩(wěn)定性受噪聲增益而不是信號(hào)增益控制,因此上面的電路可提高穩(wěn)定性,且不會(huì)影響信號(hào)增益。只需使“噪聲帶寬”(GBP/ANOISE)比負(fù)載所產(chǎn)生的極點(diǎn)至少低10倍,便可確保穩(wěn)定。
這種穩(wěn)定方法有一個(gè)缺點(diǎn),即折合到輸入端的電壓噪聲和輸人失調(diào)電壓進(jìn)一步放大,導(dǎo)致輸出噪聲和失調(diào)電壓增加。將電容CD與RD串聯(lián),可以消除增加的直流偏置電壓,但這種技術(shù)會(huì)增加噪聲,無(wú)法消除。這些電路在包含CD和不含CD兩種情況下的有效噪聲增益如圖所示。
使用時(shí),CD應(yīng)盡可能大;最小值應(yīng)為10ANOISE/(2πRDGBP),才能使“噪聲極點(diǎn)”至少比“噪聲帶寬”低10倍。
環(huán)外補(bǔ)償
這種方法是在運(yùn)算放大器的輸出端與負(fù)載電容之間增加一個(gè)電阻RX,如下圖所示。該電阻顯然在反饋環(huán)路之外,但它與負(fù)載電容一起,可將一個(gè)零點(diǎn)引人反饋網(wǎng)絡(luò)的此傳遞函數(shù),從而減小高頻時(shí)的環(huán)路相移。
為確保穩(wěn)定,RX值應(yīng)使所增加的零點(diǎn)(fZ)至少比運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)帶寬低10倍。增加RX后,電路性能不會(huì)像第一種方法一樣受到影響,輸出噪聲不會(huì)增加,但相對(duì)負(fù)載而言的輸出阻抗會(huì)提高。由于RX和RL構(gòu)成電阻分壓器,這可能會(huì)降低信號(hào)增益。如果RL已知且相當(dāng)穩(wěn)定,則可以提高運(yùn)算放大器電路的增益,以抵消該增益損失。
這種方法對(duì)于驅(qū)動(dòng)傳輸線路非常有效。為了避免駐波,RL和RX的值必須等于電纜的特性阻抗(一般為50Ω或75Ω)。因此,RX是預(yù)先確定的,剩下的工作就是讓放大器的增益加倍,以便抵消電阻分壓器造成的信號(hào)損耗,這樣問(wèn)題就解決了。
環(huán)內(nèi)補(bǔ)償
如果RL是未知的或動(dòng)態(tài)變化的,則增益級(jí)的有效輸出電阻必須保持較低。這種情況下,將RX連接在整個(gè)反饋環(huán)路以?xún)?nèi)可能有幫助,如下圖所示。采用這種配置,直流和低頻反做來(lái)自負(fù)載本身,因此從輸入端到負(fù)載的信號(hào)增益仍然不受分壓器(RX和RL)的影響。
此電路中增加的電容CF可以抵消CL所造成的極點(diǎn)和零點(diǎn)。簡(jiǎn)單地說(shuō),CF所產(chǎn)生的零點(diǎn)與CL所產(chǎn)生的極點(diǎn)一致,同時(shí)CF所產(chǎn)生的極點(diǎn)與CL所產(chǎn)生的零點(diǎn)一致。因此,總傳遞函數(shù)和相位響應(yīng)與沒(méi)有電容時(shí)完全一樣。為了確保極點(diǎn)和零點(diǎn)組合均得以抵消,必須精確求解上述方程式。另外應(yīng)注意條件;如果負(fù)載阻抗相對(duì)較大,則這些條件很容易得到滿足。
如果RO未知,將難以計(jì)算。這種情況下,設(shè)計(jì)程序就變成猜謎游戲,這可以說(shuō)是電路設(shè)計(jì)的噩夢(mèng)。關(guān)于SPICE,有一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)注意:運(yùn)算放大器的SPICE模型并未精確模擬開(kāi)環(huán)輸出電阻(RO),因此并不能完全取代補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
還有一點(diǎn)必須注意:CL必須為已知且恒定的值,才能應(yīng)用這種技術(shù)。許多應(yīng)用中,放大器驅(qū)動(dòng)非常規(guī)負(fù)載,CL可能會(huì)因負(fù)載不同而有很大差別。只有CL是閉環(huán)系統(tǒng)的一部分時(shí),使用以上電路才是最佳選擇。
一種應(yīng)用是對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行緩沖或反相,以驅(qū)動(dòng)較大的去耦電容。此時(shí),CL為固定值,可以精確抵消極點(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)非常有利。此外,基準(zhǔn)電壓的去耦電容可能很大(經(jīng)常為若干微法),使用其它補(bǔ)償方法并不可行。
以上三種方法均應(yīng)用于“標(biāo)準(zhǔn)”、單位增益穩(wěn)定、電壓反饋型運(yùn)算放大器,每種方法各有利弊?,F(xiàn)在,您可以應(yīng)用自己的知識(shí)來(lái)判斷哪種方法最適合您的應(yīng)用啦~
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