運(yùn)算放大器容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)分析

問：為什么我要考慮驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載問題?

答：通常這是無法選擇的。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：容性負(fù)載如何影響運(yùn)放的性能?
答：為簡單起見，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(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-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(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：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)過沖與容性負(fù)載關(guān)系曲線”，從中你可以看到過沖與附加負(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)品說明中給出開環(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)品說明沒有提供容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力或開環(huán)輸出電阻的指標(biāo)，也沒有給出過沖與容性負(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，用來補(bǔ)償由電阻分壓作用降低的信號(hào)增益，從而解決問題。