ZHDA008 December 2025 OPA187 , OPA192 , OPA202 , OPA320
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。
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)。
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。
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 和方程式 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°。
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。