容性負載運算放大器的影響

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?shù)睾愣ǎ敲丛鲆娼档椭悼赏ㄌ岣哌\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。