運算放大器容性負載驅(qū)動問題

Grayson King,Analog Devices Inc.

問：為什么我要考慮驅(qū)動容性負載問題?

答：通常這是無法選擇的。在大多數(shù)情況下，負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
，要求對運算放大器的輸出端的直流電壓進行去耦。例如，當(dāng)運放被用作基準電壓的倒相或
驅(qū)動一個動態(tài)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(nèi)部輸出
電阻RO，當(dāng)它與容性負載相接時，在運放傳遞函數(shù)上產(chǎn)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°。我

圖1 容性負載電路及其波特圖

們可用圖1(b)或圖1(c)來
判斷電路的穩(wěn)定性。從圖1(b)中可以看出，當(dāng)開環(huán)增益和反饋衰減之和大于1時，電路會
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，在這個頻率下環(huán)路相移超過
-180°時，運放會出現(xiàn)振蕩。電壓反饋型運算放大器(VFA)的閉環(huán)帶寬等于運放增益帶寬積(
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，環(huán)路相移為-180°，此運放電路不穩(wěn)定。通常，當(dāng)相位裕度小于45°時，會出現(xiàn)問題，例如頻響“尖峰”，階躍響應(yīng)中的過沖或“振鈴”。為了使相位裕度留有余地，容性負載產(chǎn)生的附加極點至少應(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：那么我應(yīng)該如何處理容性負載?
答：首先我們應(yīng)該確定運放是否能穩(wěn)定地驅(qū)動自身負載。許多運放數(shù)據(jù)手冊都給出“
容性負載驅(qū)動能力”這項指標。還有一些運放提供“小信號過沖與容性負載關(guān)系曲線”，從
中你可以看到過沖與附加負載電容呈指數(shù)關(guān)系增加，當(dāng)達到100%時，運放不穩(wěn)定。如果有
可能，應(yīng)該使運放過沖遠離100%。還應(yīng)注意這條曲線對應(yīng)指定增益。對于VFA，容性負載驅(qū)
動能力隨增益成比例增加。所以，如果在增益為1時，VFA可穩(wěn)定驅(qū)動100pF容性負載，那么
在增益為10時，便能驅(qū)動1000pF容性負載。也有少數(shù)運放的產(chǎn)品說明中給出開環(huán)輸出電阻R
O，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大于上述電路帶寬10倍，則電路穩(wěn)定。如果運放的產(chǎn)品說明沒有提供容性負載驅(qū)動能力或開環(huán)輸出電阻的指標，也沒有給出過沖與容性負載關(guān)系曲線，那么要保證電路穩(wěn)定，你必須對容性負載采取必要的補償措施。要使標準運放驅(qū)動容負載工作穩(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)，而不改變信號增益，這樣可在開環(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(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增益。為保證電路穩(wěn)定，最簡單的方法是使噪聲帶寬至少應(yīng)比
容性負載極點頻率低10倍頻程。

圖3 環(huán)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(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，其電容值應(yīng)盡可能大。為保證噪聲極點至少低于“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(huán)路的外部，但它可將負載電容產(chǎn)生的附加零點頻率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)該使附加零點頻率至少比運放電路閉環(huán)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。由于RX和RL構(gòu)成分壓器，從而會使信號增益降低。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放電路的增益來補償。這種方法用于驅(qū)動傳輸線路非常有用。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，用來補償由電阻分壓作用降低的信號增益，從而解決問題。

(3)環(huán)路內(nèi)補償法
如果RL值未知，或者是動態(tài)值，那么增益級的有

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

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

當(dāng)RO未知時，計算則很困難。在這種情況下，設(shè)計過程變成猜謎游戲。應(yīng)該注意“SPICE”這個詞：運算放大器的SPICE模型是一種不能精確地表示運放開環(huán)輸出電阻RO的模型，所以這種模型不能完全取代傳統(tǒng)的補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。還應(yīng)當(dāng)強調(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)動一個電路外部的負載，當(dāng)負載改換時，CL也應(yīng)該適當(dāng)變化。只有當(dāng)CL接入閉環(huán)系統(tǒng)時，使用上述電路才最適合。這種在基準電壓的緩沖器或倒相器中，驅(qū)動一個大的去耦電容。這里CL是固定值，可以精確地抵消極點和零點的作用。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。而且像對基準電壓源進行去耦的那么大的容性負載(一般幾微法)，用其它方法補償都是不切實際的。

上述三種補償方法都各有其優(yōu)點和缺點。為了對你的應(yīng)用做出最好的選擇，應(yīng)該對它們有足
夠的認識。這三種方法都適合用于“標準”用法，即單位增益穩(wěn)定，電壓反饋運算放大器(V
FA)。對于特殊應(yīng)用的放大器，讀者應(yīng)該采用其它方法。

問：我的運放有一個“補償”腳。當(dāng)驅(qū)動容性負載時，為使電路保持穩(wěn)定，我能用它對運放進行補償嗎?

答：可以。這是對容性負載進行補償?shù)淖詈唵蔚姆椒ā，F(xiàn)在許多運放都帶有使單位增益穩(wěn)定的內(nèi)部補償電路。但是許多運放只有在很高噪聲增益下才能一直保持固有的穩(wěn)定性。這類運放有一個與外部電容相連的引腳，用來減少主極點頻率。為了在低增益時工作穩(wěn)定，外接電容必須靠近這個引腳，以減小增益帶寬積。當(dāng)驅(qū)動容性負載時，增加外接電容過補償)可以提高穩(wěn)定性，但是帶寬降低。

問：到現(xiàn)在為止，你只討論了VFA的容性負載驅(qū)動問題，是嗎?那么對于電流反饋運算放大器(CFA)的容性負載驅(qū)動問題應(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)動容性負載時，對CFA的一些特性要特別注意，但容性負載對電路的影響是相同的。與運放輸出電阻相連的容性負載產(chǎn)生附加極點，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，因為CFA不存在增益帶寬積這個概念(帶寬依賴于增益的程度很小)，所以通過簡單增加噪聲增益的方法，對提高電路穩(wěn)定性沒有顯著作用。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。對驅(qū)動容性負載的CFA進行補償最合適的方法是方法2，在環(huán)路外串接一個電阻。

問：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載驅(qū)動問題。另外，我的印制線路板已經(jīng)制好，并且不想報廢。請問是否有驅(qū)動容性負載自身很穩(wěn)定的運放?

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