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放大器的稳定性

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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/(2πRFCin,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,反馈电阻为499 ?、1 k?和10 k?。数据手册建议RF值为499 ?。

图1.使用不同反馈电阻的实验室结果。VS = ±5 V,

VOUT = 40 mV p-p,RLOAD = 1 k?,针对499 ?、1 k?和10 k?的RF值 小信号频率响应中的峰化程度表示不稳定性。RF从499 ?增加至1 k?可稍微增加峰化。这意味着RF为1 k?的放大器具有充足的相位裕量,且较稳定。RF为10 k?时则不同。高等级的峰化意味着不稳定性(振荡),因此不建议。

图2.使用ADA4807 SPICE模型的模拟结果。

VS = ±5 V,G = 2,RLOAD = 1 k?,针对499 ?、1 k?和10 k?的RF值。

在实验室中验证电路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 ?、1 k?和10 k?。结果与图1一致。图3显示了时域内的不稳定性。

图3.使用ADA4807 SPICE模型的脉冲响应模拟结果。

VS = ±5 V,G = 2,RLOAD = 1 k?,针对499 ?、1 k?和10 k?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。

图4.脉冲响应仿真结果, 使用3.3 pF反馈电容CF。VS = ±5 V, G =

2, RF = 10 k? , RLOAD = 1 k?。

RF的选择存在权衡,即功耗、带宽和稳定性。如果功耗很重要,且数据手册建议反馈值无法使用,或需要更高的RF值,可选择与RF并联放置反馈电容。此选择产生较低的带宽。

透过运算放大器配置的积分器(integrator)是由电阻、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 = -1/RGCs,其中s是拉普拉斯(Laplace)复数运算符(complex operator)。 因此,该电路执行纯积分。

图1 基本的运算放大器积分器并不像乍看那样简单。

有些设计人员错误地认为此配置可能不稳定,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。

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/ (2πRGC)处的频率处产生-45°相移。;在f = 1 / (2πRGC)时,总相移为45°,在大约10f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,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:

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 / (2πRFC)为止。而且,它充当较高频率的积分器或低通滤波器。环路增益中的零始终在频域中位于极点之前,因此,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VIN / 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。工程师经常在电容上串联一个小电阻,以提高可靠性。带有串联电阻的闭回路增益和回路增益方程式如下:

如果RGC大于RFC,将重新获得纯积分,并且该积分几乎持续到f = 1 / (2πRFC)。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,但我从未见过这种情况。

最后要考虑的几点如下所列:

? 非重复输入讯号需要利用使C放电(FET与C并联)来重置积分器; ? C承受介电应力,可能导致双斜率积分; ? 必须考虑C的泄漏电流。

反相积分器是性能良好的电路,但与所有模拟电路一样,它们需要注意细节。

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