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

互阻抗案例

互阻抗放大器是存在稳定性问题(由于反相节点上的电容而导致)的电路的常见示例。虽然可以使用前面几节中介绍的方法来解决互阻抗放大器的稳定性问题,但需要单独查看此配置,因为此配置非常常见,一些其他细节会有所帮助。互阻抗放大器将电流输入转换为输出电压。互阻抗放大器通常连接到光电二极管,因为光电二极管会输出与光成比例的电流。反向偏置光电二极管通常直接连接到相对于地的反相输入。反向偏置光电二极管可能具有很大的电容,因为阴极和阳极充当平行板电容器,耗尽区充当电介质。请注意,光电二极管型号包含一个电流源,用于模拟二极管输出电流与光的关系。光电二极管型号还包含结电容 (CJ) 和寄生泄漏电阻 RS。运算放大器互阻抗增益由 RF 设置,因此通常会使用较大的 RF 值来放大小光电二极管电流。大反馈电阻同光电二极管电容相结合通常会导致不稳定。图 5-17 示出了连接到光电二极管的互阻抗配置以及光电二极管等效电路。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 互阻抗放大器的光电二极管型号图 5-17 互阻抗放大器的光电二极管型号

图 5-18 示出了此示例中使用的未补偿闭环互阻抗放大器。图 5-19 示出了图 5-18 的闭环交流响应。请注意,该示例中显示的增益是互阻抗增益 (VOUT/ID)。直流互阻抗增益约等于 RF,,或以分贝 20 × log(RF) 为单位。较大交流峰值和较大的快速相移表明电路不稳定。该电路不稳定的原因是反相节点上大电容以及大反馈电阻器(CJ = 70pF 和 RF = 100kΩ)。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 不稳定互阻抗(光电二极管)放大器图 5-18 不稳定互阻抗(光电二极管)放大器
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 不稳定互阻抗(光电二极管)放大器的响应图 5-19 不稳定互阻抗(光电二极管)放大器的响应

用于测试互阻抗放大器开环响应的电路如图 5-20 所示,开环交流响应如图 5-22 所示。开环响应表明,1/β 中的零点会导致接近速率为 40dB/dec,其中 AOL 与 1/β 相交。电路稳定性挑战可以通过 1.5° 相位裕度确认。正如我们在本节前面看到的那样,校正是通过添加反馈电容器 (CF) 来消除具有零点的极点。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 不稳定互阻抗(光电二极管)放大器的开环测试电路图 5-20 不稳定互阻抗(光电二极管)放大器的开环测试电路
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 不稳定互阻抗放大器的交流开环响应图 5-21 不稳定互阻抗放大器的交流开环响应

方程式 82 可用于选择 CF 的最小值以实现稳定性(在本例中,CF(MIN) = 1.67pF)。1/β 中零点和极点的位置分别如方程式 83方程式 85 所示。图 5-22 示出了采用最小 CF 时的开环响应。请注意,具有最小 CF 的电路的相位裕度为 51.4°,而相位裕度为不具有 CF 时的 1.5°。

方程式 82. C F m i n = C J 2 × π × R F × f U G B W = 70 p F 2 π 100 k 40 M H z = 1.67 p F
方程式 83. f Z = R S + R F 2 × π × C J × R S × R F = 150 M + 100 k 2 × π × ( 70 p F ) ( 150 M ) ( 100 k ) = 22.7 k H z
方程式 84. f Z 1 2 × π × C J × R f = 22.7 k H z ,  for  R S R F
方程式 85. f P = 1 2 × π × C F × R F = 1 2 × π × 1.67 p F 100 k = 953 k H z
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 使用最小 CF 的稳定互阻抗放大器的交流开环响应图 5-22 使用最小 CF 的稳定互阻抗放大器的交流开环响应

将 CF 值增加到超过 CF 的最小值通常会进一步提升稳定性。但是,对于较大的 CF 值,CF 和 CJ 的串联组合可能会在输出端到接地端产生电容负载,从而导致稳定性问题。CF 的值还决定了闭环互阻抗带宽(请参阅方程式 86)以及总输出噪声。增大 CF 的值会降低带宽及噪声。图 5-24 显示了图 5-23 中采用不同反馈电容器的电路的闭环频率响应。可以看到,没有反馈电容器 (0F) 的电路具有 34dB 的较大增益峰值,而使用最小 (1.7pF) 电容器时,消除了增益峰值,从而实现了最大互阻抗带宽。使用较大的反馈电容器会进一步降低带宽,但会由于电容负载 (CL = CF + CJ) 而在某个时候引入稳定性问题。

方程式 86. f B W = 1 2 × π × R F × C F
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 交流闭环互阻抗电路图 5-23 交流闭环互阻抗电路
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 不同反馈电容器的交流闭环响应图 5-24 不同反馈电容器的交流闭环响应