2 交流注意事项

所考虑的新元件测试应用不仅具有 0.5A 的高输出电流要求，而且还需要驱动高达 1µF 的负载电容并在此过程中保持稳定。对于大多数运算放大器（包括 OPA593）而言，1 微法拉属于高容性负载。需要进行补偿以确保稳定性、防止振荡并保持良好的瞬态响应特性。

由于必须对电路进行补偿才能驱动高容性负载，因此有必要制定一个计划，因为领导者-跟随者电路具有多个环路；U1 和 U2 本地环路，而且从 U1 输出开始的第三个环路会进入 U2 同相输入，然后通过 Rb2 和 Rb1 返回。对任何一个环路进行补偿都会对整个电路的总体交流频率响应产生一定影响。如何有效地补偿电路可能并不容易发现，也难以确定。

此处所述的方法是单独补偿 U1 和 U2，就像 U1 和 U2 单独驱动高容性负载一样。接下来，在它们重新连接在一起时评估稳定性补偿的整体有效性。这种方法在 OPA593 领导者-跟随者电路中非常有效。

图 2-1 显示了与图 1-3 电路相同的电路配置，但包含了额外的补偿元件。经证明，该电路能完全有效地驱动由 1µF 电容器和 100Ω 至 500Ω 电阻并联组成的负载。与 1µF 负载电容并联添加的负载电阻与被测有源元件类似，用于消耗直流电流。如上文所述，U1 和 U2 都进行了补偿，如图 2-1 所示，它们各自的单位增益带宽约为 55kHz 和 100kHz。OPA593 并联输出放大器带宽足以满足预期的元件测试应用需求。

为介绍补偿原理，可以先从图 2-1 中的 U2 谈起。U2 与图 1-3 直流电路相同，包含一个跟随器和 3.0Ω 串联输出镇流电阻器。现在，不能明显发现的是，Rb2 是“Riso”输出负载隔离电阻器的两倍。添加 Riso 是补偿运算放大器的一种方法，可提高驱动高容性负载 CL 的能力，并保持稳定。U2 电路的简化版本如图 2-2 所示，其中输出镇流电阻器用作 Riso 提供附加功能。

Riso 补偿方法在以下网站上有介绍并做了进一步说明：TI 高精度实验室系列 – 放大器、运算放大器稳定性 – 容性负载。

如图 2-2 中所示，当对单个运算放大器使用 Riso 补偿方法时，Riso 电阻器会创建一个分压器，随后产生 RL 接地阻抗。分压器输出端的电压可能小于所需的电压。但是，像在图 2-1 的领导者-跟随者电路中那样应用后，输出电压电平会根据电路配置自动修正。

U1 的补偿比 U2 所需的补偿更复杂一些。如图所示，3.0Ω 镇流电阻器 Rb1 位于反馈环路内。如果不完全取消图 2-1 领导者-跟随者配置的工作方式，则无法将 Rb1 移至环路外。

当 U1 领导者放大器的输出直接由 1µF 负载电容加载到地时，相位裕度会大大降低。U1 电路的 TINA-Spice 仿真表明相位裕度小于 0°；因此，电路不稳定。相位裕度的减少主要是由于在输出端增加了 1μF 的负载电容，并且由于在与负载电容相互作用的 U1 反馈环路中必须包含 Rb1，因此又减少了几度。

从仿真中获得的增益和相位图与频率间的关系图显示了来自运算放大器的主极点补偿的正常 –90° 相移，以及大约 3kHz 时的另一个低频极点断开。第二个极点在 –180° 的总相移中增加了额外的 –90° 相移。由于这前两个极点，相位裕度在 23kHz 左右下降到 0°。第二个极点归因于 U1 开环输出阻抗 (Zo)、与其 Zo 串联的 3.0Ω Rb1、1µF 负载电容以及输出电路中的其他阻抗。

U1 的补偿目标是防止环路相位下降到 0°，并保持尽可能高的值，使其高于 0°。在反馈环路外部添加与 U2 搭配使用的电阻类似的 Riso 电阻器在此处不可行。需要另一种补偿 U1 的方法。

已确定可以通过在 U1 上的 4.5kΩ 反馈电阻器两端添加一个电容器来补偿 U1 由 3kHz 第二极点添加的相移。该电容器的值设置为 1.5nF 时，会在 20kHz 至 30kHz 频率范围内的 U1 环路响应中引入零点。在没有电容器的情况下，环路增益以 –40dB/dec 的幅度滚降，然后向上弯曲以将滚降速率降低至 –20dB/dec。所添加的零点会计数第二个极点的负相移，并使相位充分平坦，以便在 56kHz 时 U1 的相位裕度大约为 40°，其中环路增益通过 0dB。

在驱动 1µF、500Ω 并联负载时，在 U1 和 U2 处应用的补偿会分别产生大约 40° 和 70° 的相位裕度。这些裕度随着输出负载的负载电阻值的减小而增大。当输出负载仅为 500Ω 电阻时，裕度分别增加到 69° 和 89°。

OPA593 并联输出放大器按所述进行补偿，如图 2-1 所示，在工作台上测试了各种并联 R 和 C 负载组合后仍保持稳定。为此放大器开发的补偿针对该特定负载进行了优化。如果负载电容进一步增大甚至减小，相位裕度会减小。针对特定复杂负载开发的补偿未必能确保它在不同负载下提供可接受的高相位裕度。