ZHDA008 December   2025 OPA187 , OPA192 , OPA202 , OPA320

 

  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1简介
    1. 1.1 解释不稳定性的简单类比
    2. 1.2 可能存在稳定性问题的电路
    3. 1.3 基于数据表图的简单稳定性校正
    4. 1.4 实验室工具及测量简介
  5. 2运算放大器的稳定性理论
    1. 2.1 极点及零点
    2. 2.2 运算放大器型号稳定性验证的要求
    3. 2.3 基于控制环路型号的稳定性定义
    4. 2.4 基于 AOL 及 1/β 绘制环路增益图形
    5. 2.5 闭合稳定性测试速率
    6. 2.6 间接(无创)稳定性测试
  6. 3开环稳定性测试仿真
    1. 3.1 以错误的方式断开循环
    2. 3.2 使用 LC 测试电路来断开环路
    3. 3.3 差分环路断路测试
  7. 4电容负载的稳定性校正
    1. 4.1 隔离电阻器 (RISO) 方法
    2. 4.2 双反馈方法
      1. 4.2.1 RISO 具有 RL 的双反馈
      2. 4.2.2 采用 RFX 方法的双反馈
    3. 4.3 用于补偿功率放大器及基准驱动的缓冲器电路
    4. 4.4 用于稳定性补偿的噪声增益
    5. 4.5 反馈电容器 (CF) 电容负载补偿
  8. 5反相节点上电容的稳定性校正
    1. 5.1 由于 1/β 内为零造成的输入电容不稳定性
    2. 5.2 反馈电容器可以解决反相节点上电容的稳定性问题
    3. 5.3 最小、平衡及最大反馈电容
    4. 5.4 互阻抗案例
  9. 6复杂开环及闭环输出阻抗
    1. 6.1 将开环输出阻抗转换成闭环输出阻抗
    2. 6.2 开环及闭环型号测试
    3. 6.3 由于复数输出阻抗的谐振而导致不稳定
    4. 6.4 内部运算放大器拓扑对输出阻抗及频率间的影响
    5. 6.5 影响输出阻抗的其他因素
  10. 7AOL 对稳定性的影响
    1. 7.1 AOL 次级极点及零点
    2. 7.2 对 AOL 次级极点与零点以及输入电容进行建模
    3. 7.3 解补偿运算放大器及稳定性
    4. 7.4 闭环增益对稳定性的影响
  11. 8稳定性分析中的常见问题
  12. 9参考资料

用于补偿功率放大器及基准驱动的缓冲器电路

在某些情况下,运算放大器驱动电容负载,这时使用隔离电阻是不切实际的。一个示例是功率放大器,它驱动一个与低阻值电阻负载并联的电容器,也存在放大器必须提供更大输出电流的其他情况。图 4-42 显示了一个驱动与 10nF 电容器并联的 50Ω 负载的不稳定功率运算放大器。通过 方程式 58 使用 20Ω 的隔离电阻可以稳定此示例(请参阅图 4-43)。此应用的预期负载电压为10Vpk,负载电流为200mApk。然而,20Ω 隔离电阻会显著限制输出摆幅和负载电流。此外,20Ω 隔离电阻耗散 408mWpk(请参见图 4-44)。隔离电阻必须是一个物理尺寸较大且成本高昂的元件,以满足所需的额定功率。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 具有稳定性问题的功率运算放大器 (OPA593)图 4-42 具有稳定性问题的功率运算放大器 (OPA593)
方程式 58. RISO=1+1+(8π×RO×CLOAD×fgbw)4π×CLOAD×fgbw=1+1+(8π×230Ω×10nF×10MHz)4π×10nF×10MHz=20Ω
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 使用 RISO 方法稳定的功率运算放大器 (OPA593)图 4-43 使用 RISO 方法稳定的功率运算放大器 (OPA593)
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 RISO 中耗散的功率及 RISO 两端的压降 (OPA593)图 4-44 RISO 中耗散的功率及 RISO 两端的压降 (OPA593)

对于需要提供较大输出电流的运算放大器,一种更好的方法是使用缓冲电路。缓冲器是串联 RC 电路的通用术语,用于缓冲 振荡。在这种情况下,缓冲器使运算放大器保持稳定,以便运算放大器可以驱动电容负载,而无需增加串联隔离电阻。图 4-45 显示了带有缓冲器电路的运算放大器和相关的瞬态响应。请注意,过冲百分比仅为 10.5%。此外,与 RISO 情况一样,没有直流功率或压降。当 CSN 充电时,该电路会在 RSN 中产生一些瞬态电流和功耗。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 缓冲器使 OPA593 功率运算放大器保持稳定图 4-45 缓冲器使 OPA593 功率运算放大器保持稳定

选择的缓冲电容器大约是电容负载的 100 倍。通常,缓冲电容器 (CSN) 在 1μF 到 10μF 范围内,缓冲电阻器介于 1Ω 到 100Ω 范围之间。由于 CSN 比负载电容大 100 倍,因此 CSN 在响应中占主导地位,并在方程式 59 中设置一个低频极点。RSN 设置一个零点,根据方程式 60 消除极点。为了实现稳定性,该零点需要在低于 AOL×β=0dB 的频率下发生。在高频下,原始电容负载 CL方程式 61 中引入了一个额外的极点。图 4-46 示出了缓冲器电路的开环响应。请注意,接近速率为 20dB/十倍频程,相位裕度为 79.9°,因为缓冲器零点抵消了 CSN 极点和原始 CL 极点。

方程式 59. fP1RORL+12×π×CSN+CL×RO
方程式 60. fZ12×π×CSN×RSN
方程式 61. fP212×π×CSN×RSN
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 具有缓冲器开环响应的功率运算放大器图 4-46 具有缓冲器开环响应的功率运算放大器

缓冲器元件的选择方法示出了如何为缓冲器电路选择 RSN 和 CSN。总之,所选 CSN 值明显大于电容负载。然后使用参数阶跃扫描 RSN 值并寻找理想的瞬态响应(请参阅图 4-47)。选择 CSN 和 RSN 后,检查相位裕度的开环响应。

注:

缓冲器元件选择方法

  1. 选择 CSN ≥ 100 × CL
  2. 设置 RSN(MIN) = 1Ω。
  3. 最大 RSN 的设置公式为:
    方程式 62. RSN(MAX)12×π×CSN×fZ
  4. 以瞬态小信号阶跃在 RSN 上使用 SPICE 参数阶跃。根据所需的过冲百分比选择 RSN(请参见图 4-47)。
    1. 最小 RSN 通常不稳定,因为零点频率过高。
    2. 最大 RNS 通常是不稳定的,因为 RSN 为 CSN 创造了一个开路,从而有效地从电路中去除 CSN
    3. 使用参数阶跃可选择最低过冲。但是,一些过冲会提供更快的响应。选择 RSN 时,请牢记速度与稳定性之间的权衡。
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 具有缓冲器闭环瞬态响应的功率运算放大器图 4-47 具有缓冲器闭环瞬态响应的功率运算放大器

基准驱动器是另外一种经常使用缓冲器补偿方法的常见电路。基准驱动器是一种缓冲电压基准输出以增加瞬态响应速度及电压基准输出电流驱动的电路。通常,电压基准电路在输出端有一个大滤波电容器作为电荷库和噪声滤波器。当运算放大器用作基准缓冲器时,工程师希望将滤波电容器直接放置在运算放大器的输出端。但是,这样会导致稳定性问题。

使用 RISO 方法或 RISO 双反馈方法可以稳定该电路,但隔离电阻会限制输出电流和瞬态响应速度。缓冲器方法更好,因为放大器输出和负载之间没有电阻。请注意,在这种情况下,负载通常是 ADC 的基准输入,而 ADC 在转换期间具有快速瞬态电流需求。运算放大器、缓冲电容器及负载电容器都为负载提供瞬态电流(ADC 输入瞬态)。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 具有缓冲器瞬态响应的基准缓冲器 (OPA320)图 4-48 具有缓冲器瞬态响应的基准缓冲器 (OPA320)
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 具有缓冲器开环响应的基准缓冲器 (OPA320)图 4-49 具有缓冲器开环响应的基准缓冲器 (OPA320)