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

6.3 由于复数输出阻抗的谐振而导致不稳定

到目前为止，本文档中的稳定性分析假设开环输出阻抗 (ZO) 在整个频率范围内是平坦的（电阻）。此外，较大的 ZO 值需要较大的隔离电阻以实现稳定性，并使放大器对电容负载更加敏感。这意味着，从稳定性的角度来看，最大 ZO 值是最坏情况。为了选择适当的补偿，使用最大的 ZO 值似乎是一种很好的设计方法，但实际上、还有其他考虑因素。

图 6-8 示出了 OPA189 的开环输出阻抗。通过在方程式 90 中使用 ZO 的最大值，可得出使运算放大器保持稳定的 RISO 最小值。在该示例中，RISO = 19Ω 可使放大器保持稳定。但是，观察开环交流响应时，37.7° 的相位裕度表明稳定性较差（请参阅图 6-9 和图 6-10）。更重要的是，谐振峰值可以在增益图中看到，该图与快速相移重合（图 6-10 中 f = 90kHz 时的谐振）。谐振是不稳定的主要原因，本节将说明此问题的原因和解决方法。

方程式 90. RISO=1+1+(8π×RO×CLOAD×fgbw)4π×CLOAD×fgbw=1+1+(8π×300Ω×10nF×14MHz)4π×10nF×14MHz=19Ω
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 OPA189 开环输出阻抗图 6-8 OPA189 开环输出阻抗
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 OPA189 配置的开环测试电路图 6-9 OPA189 配置的开环测试电路
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 OPA189 电路的开环交流响应图 6-10 OPA189 电路的开环交流响应

图 6-11 示出了 OPA189 示例的闭环微小信号阶跃响应。响应的过冲值为 8.6mV（在 20mVpp 阶跃下为 43%），对应于相位裕度的 29.0°（请参阅图 2-14）。在此示例中，开环测试指示 37.7° 的相位裕度，闭环测试指示 29.0°。出现差异的原因是，由于 90kHz 的谐振，以及环路增益变为零的接近速率问题，电路存在不稳定情况。谐振由输出阻抗的复杂性质造成。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 OPA189 的闭环微小信号阶跃响应图 6-11 OPA189 的闭环微小信号阶跃响应

在图 6-10 中，在 90kHz 处存在共振，这是导致放大器不稳定的主要原因。这种谐振由负载 (CL) 与复闭环输出阻抗 (RO) 相互作用引起。理解谐振源的一种方法是绘制负载阻抗与运算放大器闭环输出阻抗的关系图，并使用接近速率规则。图 6-12 示出了绘制负载阻抗的 SPICE 方法。可以使用图 6-11 中所示的方法测试闭环输出阻抗。闭环输出阻抗和负载阻抗均在图 6-13 中绘制。请注意，负载阻抗 (ZLOAD) 与电感区域的开环输出阻抗相交。另请注意，在两条曲线相交的位置，ZLOAD 的斜率为 20dB/dec (10x/dec)。因此，接近速率为 40dB/十倍频程。从曲线上可以看出，将 ZL 曲线向左移动会使接近速率变为 20dB/dec，因为 ZL 曲线的电阻部分与 ZOUT 相交，而不是电容部分。图 6-14 示出了增加 CL 如何使负载曲线向左移动并提高稳定性。增加 CL 来帮助提高稳定性似乎违反直觉，但在某些稳定性情况下，稳定性可以提高或补偿稳定性可能会更容易。图 6-14 还示出了具有 10nF 和 100nF 负载电容的电路的瞬态响应。与 100nF 相比，10nF 的过冲更大，相位裕度更差（10nF 的相位裕度为 28° 并且 100nF 的相位裕度为 40°）。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 模拟和绘制负载阻抗 ZLOAD图 6-12 模拟和绘制负载阻抗 ZLOAD
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 负载阻抗 (ZLOAD) 和输出阻抗 (ZOUT) 接近速率测试图 6-13 负载阻抗 (ZLOAD) 和输出阻抗 (ZOUT) 接近速率测试
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 增加 CL 可改善这种情况下的稳定性图 6-14 增加 CL 可改善这种情况下的稳定性

图 6-15 示出了增大 RISO 会将接近速率从大约 40dB/十倍频程更改为 20dB/十倍频程。这里使用大约 一次是因为 ZLOAD 与 ZOUT 相交的区域中后者的斜率持续变化。重要的一点是，接近速率随着电阻的增加而提高。瞬态小信号阶跃还表明稳定性随着 RISO 值的增大而提高。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 增大 RISO 可提高稳定性图 6-15 增大 RISO 可提高稳定性

由于 ZOUT 在大约 2kHz 至大约 200kHz 范围内的斜率为 40dB/十倍频程，因此放大器在存在阻性负载时可能不稳定（请参阅图 6-13）。在图 6-16 中，请注意低负载电阻值如何在较高的接近速率下与输出阻抗曲线相交。另请注意，负载电阻值较小时，过冲会增加。运算放大器在阻性负载下可能不稳定这一事实可能是值得关注的，但实际上电路在实际负载电阻下是稳定的，负载必须非常小才能出现稳定性问题（在本例中为 RISO ≤ 25Ω）。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 低值电阻负载可能不稳定图 6-16 低值电阻负载可能不稳定

如 OPA189 稳定性示例所示，具有复杂开环输出阻抗的电路可能具有挑战性，难以实现稳定。方程式 90 可用于为具有电阻式开环输出阻抗 (RO) 的电路选择 RISO，但不适用于具有复杂 ZO 的电路。为具有复杂 ZO 的电路选择 RISO 的一种可能方法是绘制 ZOUT 和 ZLOAD，并以图形方式选择值以获得 20dB/十倍频程的接近速率。但是，这种方法很耗时、精确的 ZOUT 斜率值并不明显。实际上，ZOUT-ZLOAD 曲线在解释复杂 ZO 导致的不稳定性背后的理论时非常有用，但这些曲线并不是选择高稳定性组件的最简单方法。为具有复杂 ZO 的电路选择 RISO 的一种简单方法是使用参数阶跃。

参数阶跃是一种 SPICE 分析方法，它根据特定元件值扫描来运行多个仿真。在这种情况下，变化的值是 RISO。您可以使用方程式 90 找到 RISO 的起点。对于最大 RISO，一个不错的选择是初始值的 100 到 1000 倍。使用对数扫描是覆盖宽范围的一种很好方法。应用一个小信号输入阶跃，并了解不同 RISO 值的过冲百分比如何变化。初始扫描可能找不到准确的所需响应，因此根据需要优化范围并重新运行仿真。图 6-17 和图 6-18 示出了 TINA™SPICE 上的参数步长方法，但大多数 SPICE 仿真器都可以采用类似的方法。

OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 使用 TINA™ SPICE 参数阶跃找到理想的 RISO图 6-17 使用 TINA™ SPICE 参数阶跃找到理想的 RISO
OPA187 OPA202 OPA320 OPA192 参数阶跃 RISO 瞬态结果图 6-18 参数阶跃 RISO 瞬态结果