放大器的稳定性

1、信号需要增益时，放大器是首选组件。对于电压反馈型和全差分放大器， 反馈和增益电阻之比RF/RG决定增益。一定比率设定后，下一步是选择RF或 RG的值。RF的选择可能影响放大器的稳定性。放大器的内部输入电容可在数据手册规格表中找到，其与RF交互以形成传 递函数中的一个极点。如果RF极大，此极点将影响稳定性。如果极点发生的频 率远高于交越频率，则不会影响稳定性。不过，如果通过f =1/(2 IT RFCin, amp)确定的极点位置出现在交越频率附近，相位裕量将减小，可 能导致不稳定。图1的示例显示小信号闭环增益与ADA4807-1电压反馈型放大器频率响应 的实验室结果，采用同相增益为2的配置，反

2、馈电阻为499 Q 1 kQ和10 数据手册建议RF值为499一 op) UC05 V,kQ和10 kQ的RF值图2使用ADA4807 SPICE模型的模拟结果。Fr|kxncy (MHi)图1.使用不同反馈电阻的实验室结果。VSVOUT = 40 mV p-p, RLOAD = 1 kQ 针对 499 Q、 小信号频率响应中的峰化程度表示不稳定性。RF从499 Q增加至1 kQ nf 稍微增加峰化。这意味着RF为1 kG的放大器具有充足的相位裕量，且较稳定。VS = 5 V, G = 2, RL0AD = 1 kQ 针对 499 Q、1 kC 和 10 kQ 的 RF 值。在实验室中验证电路

3、不是检验潜在不稳定性的强制步骤。图3显示使用SPICE模型的模拟结果，采用相同的RF值499 G、1 kC和10 kG。结果与图1 一致。图3显示了时域内的不稳定性。Y 4 一9 彳03Q.9 fK2,RF的选择存在权衡, 册建议反馈值无法使用， 此选择产生较低的带宽。00.12030L40.6M 0604 ijQTinwg图3.使用ADA4807 SPICE模型的脉冲响应模拟结果。VS = 5 V, G = 2, RL0AD = 1 kQ,针对 499 G、1 kC 和 10 kG 的 RF 值通过在RF两端放置反馈电容给传递函数添加零点，可以去除图4所示的不 稳定性。M 11,2,41.0

4、 心 MnmeyBl图4.脉冲响应仿真结果，使用3. 3 pF反馈电容CFo VS = 5 V, G =RF = 10 kQ , RLOAD = 1 kQ。即功耗、带宽和稳定性。如果功耗很重要，且数据手或需要更高的RF值，可选择与RF并联放置反馈电容。透过运算放大器配置的积分器(integrator)是山电阻、电容和运算放大 器组成的简单电路，那么怎么会出问题呢？在图1中，当ZF为电容时，闭 回路理想增益方程为G = -l/RGCs,其中S是拉普拉斯(Laplace)复数运算 符(complex operator) o因此，该电路执行纯积分。Zf图1基本的运算放大器积分器并不像乍看那样简单。o

5、ut有些设计人员错误地认为此配置可能不稳定9因此可以使用公式1计算 回路增益(loop gain)以确定是否存在潜在的稳定性问题。其中，a是运算放 大器的开回路增益。nRg公式1Ap =)Rq + Zp RqCs +1在著名的Bode图上，零点从最低频率轴开始产生90正相移，而极点 在f =1/ (2 n RGC)处的频率处产生-45相移。；在f = 1 / (2九RGC)时, 总相移为45 ,在大约lOf时相移减小至零。相移永远不会接近不稳定所需 的-180 ,因此电路问题必须存在于其他地方。运算放大器包含需要输入电流的晶体管。如果运算放大器具有npn输入 晶体管，则输入电流将从地面流入电路

6、，而pnp晶体管的电流则相反，反相 输入电流从地流过RG和C。不管输入电流有多小，最终它都会对电容充电， 从而导致运算放大器在正电源轨处饱和(对于pnp输入晶体管)。可以透过添加一个与C并联的电阻轻松解决饱和问题。电阻提供偏置电 流，饱和度减小至较小的电压偏移。带有并联电阻的闭回路增益和回路增益 方程式如下：公式2G =-业一-,Rg RpCs 十 1Ap=冰 G RpCs 十 1公式3Rf +Rg Rp |RqCs + 1你将无法透过添加RF来实现纯粹的整合。该电路是一个放大器，其反 相增益为-RF / RG,直到输入频率接近f = 1 / (2 n RFC)为止。而且，它 充当较高频率的积

7、分器或低通滤波器。环路增益中的零始终在频域中位于极 点之前，因此9该电路始终稳定。实际上，通常会在放大器上增加一个反馈 电容，以降低噪声和过冲。阶跃函数输入电压导致输入电流VIX / RG,并且输入电流可能会损坏 电容、毁损运算放大器或引起振铃。丄程师经常在电容上审联一个小电阻， 以提高可鼎性。带有宙联电阻的闭回路增益和回路增益方程式如下：RpCs +1公式4G =RqOs aRgCsAp =.公式 5(Rg 十 Rf)Cs 十 1如果RGC大于RFC,将重新获得纯积分，并且该积分儿乎持续到f = 1 / (2 n RFC) o回路增益为零，在低频轴上产生90的正相移，因此极点通常 不会引起不稳定。可能会出现RGC小于RFC,且电路不稳定的情况，但我从 未见过这