運算放大器穩定性分析---容性負載

在電子設計中，運算放大器作為(wei) 一種最常見的元器件被工程師們(men) 應用到各種信號調理電路中去。但是，當設計中沒有足夠的裕量支持運放去帶負載的時候，放大器就會(hui) 因為(wei) 不穩定而極易發生振蕩。

導致運放穩定性問題的最常見原因是輸出端的電容，常見的電容負載的電路包括：電容、MOSFET、電纜線、高速光耦等，這些容性負載不能直觀看到具體(ti) 的容值，所以在設計中一定要檢查運放輸出端是否有連接到上述這幾種容性負載。

本文將討論為(wei) 什麽(me) 容性負載會(hui) 導致穩定性問題，並且將會(hui) 給出一種使用隔離電阻來進行補償(chang) 的解決(jue) 方案。

潤石精密運放RS8522

1、通過相位裕度的大小判斷電路穩定性的方法

①相位裕度及增益裕度的概念

相位裕度：放大器開環增益與(yu) 頻率曲線中，180°的相位與(yu) 開環增益下降至單位增益處的相位之差的絕對值。

增益裕度：放大器開環增益與(yu) 頻率曲線中，180°的相位處的增益與(yu) 放大器開環增益下降至單位增益處的增益之差的絕對值。

②運放電路穩定性的判斷 

表1 相位裕度及增益裕度對應階躍響應的穩定性

穩定性可用表中的標準來判斷。在設計放大器電路時，應確保45°以上的相位裕度，最好有60°以上的相位裕度。增益裕度要確保10dB以上。當相位裕度降低到30°以下，頻率特性的圖中就會(hui) 出現凸峰，輸出端很小的負載電容就會(hui) 使電路陷入振蕩。

2、運放輸出端帶容性負載的分析

圖2-1 容性負載電路

圖2-2 容性負載電路波特圖

如上圖1-1及圖1-2的電路及對應的波特圖所示，10nF容性負載條件下，在Aol曲線上會(hui) 生成一個(ge) 極點，同時觀察在增益為(wei) 0dB的頻點f對應的相位裕度隻有4度左右。對應表格，此時在電路的相位裕度為(wei) 4度的時候，可得出運放的電路輸出是很不穩定的。

由下圖中的運放內(nei) 部等效結構圖及對應的波特圖，可以看到運放輸出端的Ro與(yu) 輸出負載電容Cout會(hui) 形成新的極點，對應的頻率點為(wei) 1/(2πRo*Cout)處，最終在該極點以後Aol對應頻率曲線下降的斜率會(hui) 變為(wei) -40dB/10倍頻，這也是可以判斷運放工作在不穩定狀態的一個(ge) 因素之一。

圖2-3  運放內(nei) 部結構及等效電路

3、負載電容的補償(chang) 方法

通過在運放的輸出端和負載電容之間接電阻的方式，加入一個(ge) 零點，去抵消由輸出阻抗和容性負載產(chan) 生的極點。新增零點的頻率，要保證環路增益曲線下降為(wei) 0dB時，斜率為(wei) -20dB/十倍頻，或者對應相位裕度大於(yu) 45度，如下圖3-1和圖3-2所示：

圖3-1  補償(chang) 後的容性負載電路

圖3-2 補償(chang) 後的容性負載電路波特圖

使用輸出端串接電阻的方式做零點補償(chang) 後的Aol曲線可以看到一個(ge) 零點抵消了由 Ro和Cout組成的極點，從(cong) 而使得Aol曲線的斜率回到-20dB/dec，並顯著改進了相位裕量。此時，經過零點補償(chang) 後的運放工作在穩定狀態。

新增零點的頻率，要保證環路增益曲線下降為(wei) 0dB時，斜率為(wei) -20dB/10倍頻，或者對應相位裕度大於(yu) 45度。因此要在負載 Aol 曲線等於(yu) 20dB時對應的頻率 Fzero 然後使用左邊展示的公式R1=1/(2πFzero*Cout)計算出R1的值。 依據波特圖中給出的Fzero對應的相位裕度在60度以上，此時電路是穩定的。

RS8551/2/4—低功耗高精度零漂軌對軌運算放大器

需要注意的是不同類型的運放其帶容性負載的能力也大不相同，數據手冊(ce) 當中經常會(hui) 給出測試運放帶容性負載能力的測試電路，這一點需要我們(men) 與(yu) 實際應用區分開來。並不是所有的運放的輸出帶電容能力都很強。

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