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

最小、平衡及最大反馈电容

图 5-8 示出了一个电路,在输入之间的 TVS 二极管的反相节点上具有大电容。使用尽可能小的反馈电容器来纠正电路稳定性问题,从而实现稳定性。电容值使用方程式 76 求出,极点频率可通过方程式 77 求出。通常,为了提高设计的稳健性,建议将该电容器舍入为最接近的标准值或更高值。实现稳定性的最小反馈电容直接在 AOL 和 1/β 的交点上放置一个零点,以将接近速率设置为 20dB/dec(请参阅图 5-9)。

方程式 76. C F ( m i n ) = C I N 2 × π × R F × f U G B W = 1 n F 2 × π × ( 1 M Ω ) ( 1 M H z ) = 12.6 p F
方程式 77. f P = 1 2 × π × C F × R F = 1 2 × π × ( 12.6 p F ) ( 1 M H z )   = 12.6 k H z
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 稳定反相节点上电容的最小 CF图 5-8 稳定反相节点上电容的最小 CF
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 使用最小 CF 的开环响应实现稳定性图 5-9 使用最小 CF 的开环响应实现稳定性

图 5-8 示出了在所示情况下,选择了用于稳定电路的反馈电容器,以使反馈和反相节点上的 RC 时间常数相等 (RG × CIN = RF × CF)。对于这种平衡情况,可以使用方程式 76 选择 CF 的值。使用平衡方法时,反馈电容器的极点直接放置在输入电容器的零点上,使 1/β 看起来相对平坦(请参阅图 5-9)。之所以通常使用平衡方法,是因为该方法易于选择反馈电容器,并提供了一个可靠的选项。平衡方法的带宽低于最小 CF 方法,因此噪声也较低。

方程式 78. C F = R I N × C I N R F = 100 k Ω 1 n F 1 M Ω = 100 p F
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 平衡 CF,用于稳定反相节点上的电容图 5-10 平衡 CF,用于稳定反相节点上的电容
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 使用平衡 CF 的开环响应以实现稳定性图 5-11 使用平衡 CF 的开环响应以实现稳定性

图 5-12 示出了选择大反馈电容器以使 fP< fZ 的电路,图 5-13 示出了开环响应。若将反馈电容器增加到超过平衡方法中使用的值,会进一步降低带宽和噪声。这种情况下的反馈电容器可根据带宽要求进行选择(请参阅方程式 79)。但是,可能会选择过大并会导致稳定性问题的 CF 值。与输入电容串联的反馈电容器会为运算放大器产生电容负载。通常,串联电容器根据方程式 80 相加,并且对于此示例,总电容的计算公式为方程式 81。如果 CF 和 CIN 足够大,总电容负载可能会导致不稳定。对于图 5-12 中的电路,相位裕度为 42.8°,而平衡情况下的相位裕度为 59.2°,因此大反馈电容器显然会降低稳定性。对于 CIN 较小的电路,由于总串联电容很小,因此通常可以在不考虑稳定性问题的情况下增加 CF 值。

方程式 79. f P ( 500pF ) = 1 2 × π × R F × C F = 318 H z
方程式 80. C T O T A L = 1 1 C 1 + 1 C 2 + + 1 C N
方程式 81. C T O T A L = 1 1 1 n F + 1 500 p F = 333 p F
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 大 CF 实现稳定性(fP 大于 fZ)图 5-12 大 CF 实现稳定性(fP 大于 fZ
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 使用较大 CF 实现稳定性的开环响应(fP 大于 fZ)图 5-13 使用较大 CF 实现稳定性的开环响应(fP 大于 fZ
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 大 CF 和大 CIN 会结合到电容负载中图 5-14 大 CF 和大 CIN 会结合到电容负载中

图 5-15 总结了三种不同的设计情形(大 CF、平衡 CF 和最小 CF)。顶部的图显示增益与频率间的关系,中间的图显示噪声频谱密度,底部的图显示总 RMS 噪声。这个总结的要点是使用较大 CF 值会降低噪声和带宽。另一点是,增益与频率间的关系图不一定看起来像一阶低通滤波器,因为反馈电容器和 AOL 滚降会在高频下创建二阶系统。电容负载还会在增益开始滚降之前导致一定的增益峰值。对于大环路增益,增益图遵循 1/β 图。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 不同 CF 值的增益、噪声密度及总噪声 (OPA396)图 5-15 不同 CF 值的增益、噪声密度及总噪声 (OPA396)

模拟工程师计算器有一个实用程序,可使用反相节点上的电容绘制电路的开环和闭环响应图形。该工具还具有一个推荐补偿按钮,该按钮根据方程式 76 选择 CF 的最小值。此工具要求用户为运算放大器输入一些参数(增益带宽,AOL、RO 及第二个极点)。该工具假定输出阻抗,因此对于具有复杂输出阻抗的电路,需要进行仿真以提高精度。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 使用反相输入端的电容来分析和优化电路的软件工具图 5-16 使用反相输入端的电容来分析和优化电路的软件工具