導(dǎo)致運放穩(wěn)定性問題的,最常見原因是輸出端的電容。一些經(jīng)常有大電容負(fù)載的電路包括有,參考電壓緩沖電路,線路/屏蔽層驅(qū)動電路,以及MOSFET驅(qū)動電路。在 MOSFET驅(qū)動電路和線路/屏蔽層驅(qū)動電路上,容性負(fù)載不能馬上能看到,所以一定要檢查運放輸出端是否有連接任何寄生電容。
我們已經(jīng)知道如何生成一個運放電路的開環(huán)曲線。現(xiàn)在可以仿真容性負(fù)載的影響,從而確定問題,如結(jié)果所示10nF的容性負(fù)載,在Aol曲線上生成一個極點,使在 fc 頻率處的 Aol*β 曲線的相位降低到只有4度,讓我們檢查一下這里的原因。
如果我們檢查這個開環(huán)電路的簡化圖,可以看到輸入信號通過,開環(huán)增益模塊Aol gain block ,然后進(jìn)入串聯(lián)的開環(huán)輸出阻抗Ro,最后到達(dá)運放輸出Vo,由于在運放輸出端與地之間的電容Cload,運放的 Aol 曲線上就會有Ro和Cload組成的RC分壓器負(fù)載。
為了理解輸出負(fù)載的效果,這里畫出Ro和Cload的等效電路的AC傳遞函數(shù),極點位置可以通過傳遞函數(shù)計算,并在圖片的下方給出。
如果將原始運放的Aol曲線以及Aol負(fù)載曲線疊加起來,結(jié)果就得到底部所示的負(fù)載Aol曲線,可以看到由Ro和Cload相互作用產(chǎn)生的Aol極點,導(dǎo)致Aol曲線變成-40dB/dec的斜率并減少了單位增益相位裕量。
在理解了容性負(fù)載,如何導(dǎo)致電路不穩(wěn)定之后,我們開始介紹第一種補償技術(shù)叫做Riso方法。Riso 方法通過加入一個零點,去抵消由輸出阻抗和容性負(fù)載產(chǎn)生的極點,從而補償電路。
看一下使用Riso補償方法后的開環(huán)曲線,可以看到一個零點抵消了由 Riso和Cload組成的極點 ,這使得Aol的斜率回到20dB/dec并顯著改進(jìn)了相位裕量。
我們可以使用檢查帶容性負(fù)載的電路的方法,來檢查開環(huán)Riso電路,同樣地這里的Aol是帶著阻抗分壓器負(fù)載的曲線,但這次Riso和Cload都在分壓器的下端,只有Ro在分壓器的上端。
我們可以將Aol 負(fù)載,類比為典型的電阻分壓器。記住分壓器的傳遞函數(shù),等于下端的阻抗除以上下端的阻抗之和。同樣的原理應(yīng)用到Ro,Riso和Cload上。如右圖所示,Ro組成Z1上端的阻抗,同時Riso和Cload的串聯(lián)組成Z2,下端的阻抗,傳遞函數(shù)可以簡化成,右下角所示的表達(dá)式。分子上有一個僅依賴于Riso和Cload的零點,均為外部器件,同時分母上有一個依賴于Ro,Riso和Cload的極點。
這里展示了這個拉普拉斯Laplace傳遞函數(shù)計算結(jié)果,注意到在分子和分母中都有一個s項,可清楚地知道在傳遞函數(shù)中有一個零點和一個極點,極點和零點頻率的計算公式,可以從傳遞函數(shù)中得到。畫出AC傳遞函數(shù),您可以看到由零點產(chǎn)生的正相移,抵消了由極點產(chǎn)生的負(fù)相移,使凈相移為0 度。
如前面一樣,將Aol 曲線和Aol負(fù)載曲線加在一起,我們可以再一次看到由Riso加入的零點,抵消了 Aol曲線上的極點,并且恢復(fù)了單位增益相位裕量到可接受的一個穩(wěn)定范圍。
為了設(shè)計使相位裕量大于60度的Riso電路,首先要找到負(fù)載Aol曲線等于20dB時對應(yīng)的頻率 fzero,然后使用左邊展示的公式以及Cload和fzero的值來計算Riso 的值。在此例子中Riso的值為108ohm,根據(jù)運放單位增益相位裕量以及Aol極點的位置,相位裕量會介于在60度和90度之間。
綜上所述,找到負(fù)載Aol曲線等于20dB時的頻率,并通過計算合適的Riso值,把零點設(shè)置到這個頻率上。雖然我們這里不會對背后的原理多做介紹,但是大家可以記住,如果零點頻率比極點高大約1.5個十倍頻 ,Riso值應(yīng)該增加以阻止環(huán)路中Aol*β的相位下降太多。如果Riso至少等于Ro/34 ,那么零點就會在極點的1.5 個十倍頻范圍內(nèi),如果電路不要求提供大電流輸出,那么考慮增加Riso到等于或大于Ro ,電路基本上會在所有容性負(fù)載下穩(wěn)定。
對比有和沒有Riso的電路的瞬態(tài)響應(yīng),我們可以看到使用Riso的明顯改善,沒有Riso電路的輸出會有嚴(yán)重的過沖和振鈴。
雖然Riso電路易于實施和設(shè)計,它在精密電路里有一個不足之處,Riso上的壓降依賴于輸出電流和輸出負(fù)載,并且與所需信號相比可能十分顯著,如這里給出的由于250Ω的輸出負(fù)載,一個10mV的信號會有超過3mV,也就是30%的誤差。
原文標(biāo)題:運放電路單反饋Riso 穩(wěn)定性補償方法
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