在電子設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器作為一種最常見的元器件被工程師們應(yīng)用到各種信號(hào)調(diào)理電路中去。但是，當(dāng)設(shè)計(jì)中沒有足夠的裕量支持運(yùn)放去帶負(fù)載的時(shí)候，放大器就會(huì)因?yàn)椴环€(wěn)定而極易發(fā)生振蕩。

導(dǎo)致運(yùn)放穩(wěn)定性問(wèn)題的最常見原因是輸出端的電容，常見的電容負(fù)載的電路包括：電容、MOSFET、電纜線、高速光耦等，這些容性負(fù)載不能直觀看到具體的容值，所以在設(shè)計(jì)中一定要檢查運(yùn)放輸出端是否有連接到上述這幾種容性負(fù)載。

本文將討論為什么容性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題，并且將會(huì)給出一種使用隔離電阻來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案。

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潤(rùn)石精密運(yùn)放RS8522

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1、通過(guò)相位裕度的大小判斷電路穩(wěn)定性的方法

①相位裕度及增益裕度的概念

相位裕度：放大器開環(huán)增益與頻率曲線中，180°的相位與開環(huán)增益下降至單位增益處的相位之差的絕對(duì)值。

增益裕度：放大器開環(huán)增益與頻率曲線中，180°的相位處的增益與放大器開環(huán)增益下降至單位增益處的增益之差的絕對(duì)值。

②運(yùn)放電路穩(wěn)定性的判斷?

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表1 相位裕度及增益裕度對(duì)應(yīng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)定性

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穩(wěn)定性可用表中的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷。在設(shè)計(jì)放大器電路時(shí)，應(yīng)確保45°以上的相位裕度，最好有60°以上的相位裕度。增益裕度要確保10dB以上。當(dāng)相位裕度降低到30°以下，頻率特性的圖中就會(huì)出現(xiàn)凸峰，輸出端很小的負(fù)載電容就會(huì)使電路陷入振蕩。

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2、運(yùn)放輸出端帶容性負(fù)載的分析

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圖2-1 容性負(fù)載電路

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圖2-2 容性負(fù)載電路波特圖

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如上圖1-1及圖1-2的電路及對(duì)應(yīng)的波特圖所示，10nF容性負(fù)載條件下，在Aol曲線上會(huì)生成一個(gè)極點(diǎn)，同時(shí)觀察在增益為0dB的頻點(diǎn)f對(duì)應(yīng)的相位裕度只有4度左右。對(duì)應(yīng)表格，此時(shí)在電路的相位裕度為4度的時(shí)候，可得出運(yùn)放的電路輸出是很不穩(wěn)定的。

由下圖中的運(yùn)放內(nèi)部等效結(jié)構(gòu)圖及對(duì)應(yīng)的波特圖，可以看到運(yùn)放輸出端的Ro與輸出負(fù)載電容Cout會(huì)形成新的極點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為 1/(2πRo*Cout)處，最終在該極點(diǎn)以后Aol對(duì)應(yīng)頻率曲線下降的斜率會(huì)變?yōu)?40dB/10倍頻，這也是可以判斷運(yùn)放工作在不穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)因素之一。

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圖2-3 ?運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路

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3、負(fù)載電容的補(bǔ)償方法

通過(guò)在運(yùn)放的輸出端和負(fù)載電容之間接電阻的方式，加入一個(gè)零點(diǎn)，去抵消由輸出阻抗和容性負(fù)載產(chǎn)生的極點(diǎn)。新增零點(diǎn)的頻率，要保證環(huán)路增益曲線下降為0dB時(shí)，斜率為-20dB/十倍頻，或者對(duì)應(yīng)相位裕度大于45度，如下圖3-1和圖3-2所示：

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圖3-1 ?補(bǔ)償后的容性負(fù)載電路

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圖3-2 補(bǔ)償后的容性負(fù)載電路波特圖

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使用輸出端串接電阻的方式做零點(diǎn)補(bǔ)償后的Aol曲線可以看到一個(gè)零點(diǎn)抵消了由 Ro和Cout組成的極點(diǎn)，從而使得Aol曲線的斜率回到-20dB/dec，并顯著改進(jìn)了相位裕量。此時(shí)，經(jīng)過(guò)零點(diǎn)補(bǔ)償后的運(yùn)放工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

新增零點(diǎn)的頻率，要保證環(huán)路增益曲線下降為0dB時(shí)，斜率為-20dB/10倍頻，或者對(duì)應(yīng)相位裕度大于45度。因此要在負(fù)載 Aol 曲線等于20dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率 Fzero 然后使用左邊展示的公式R1=1/(2πFzero*Cout)計(jì)算出R1的值。 依據(jù)波特圖中給出的Fzero對(duì)應(yīng)的相位裕度在60度以上，此時(shí)電路是穩(wěn)定的。

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RS8551/2/4—低功耗高精度零漂軌對(duì)軌運(yùn)算放大器

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需要注意的是不同類型的運(yùn)放其帶容性負(fù)載的能力也大不相同，數(shù)據(jù)手冊(cè)當(dāng)中經(jīng)常會(huì)給出測(cè)試運(yùn)放帶容性負(fù)載能力的測(cè)試電路，這一點(diǎn)需要我們與實(shí)際應(yīng)用區(qū)分開來(lái)。并不是所有的運(yùn)放的輸出帶電容能力都很強(qiáng)。

潤(rùn)石科技提供類型廣泛的運(yùn)算放大器，能夠更好的滿足客戶不同種類的應(yīng)用需求。主要包括精密運(yùn)算放大器、高速運(yùn)算放大器、低噪聲運(yùn)算放大器、低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器、微功耗運(yùn)算放大器、高壓通用放大器、高壓高精度運(yùn)算放大器、專用運(yùn)算放大器、儀表放大器等系列產(chǎn)品，具有高品質(zhì)、高性能、選型豐富等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療電子，汽車電子，消費(fèi)電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域！

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關(guān)于潤(rùn)石科技

江蘇潤(rùn)石科技有限公司是一家專注于高性能、高品質(zhì)模擬/混合信號(hào)集成電路研發(fā)和銷售的高科技半導(dǎo)體企業(yè)。

主要產(chǎn)品包括精密運(yùn)算放大器、高速運(yùn)算放大器、通用運(yùn)算放大器、低噪聲運(yùn)算放大器、微功耗運(yùn)算放大器、微功耗比較器、模擬開關(guān)、電源管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換、電壓基準(zhǔn)源等，廣泛用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、安防監(jiān)控設(shè)備、儀器儀表、汽車電子、智能家居以及消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。

公司總部位于江蘇省無(wú)錫市，扎根本土，服務(wù)全球。公司依托無(wú)錫市良好的集成電路產(chǎn)業(yè)環(huán)境，整合上下游優(yōu)勢(shì)資源，致力于物聯(lián)傳感、醫(yī)療電子、工業(yè)電子和消費(fèi)類電子等的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)，目前已完成多個(gè)門類的芯片設(shè)計(jì)和開發(fā)。

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潤(rùn)石科技始終堅(jiān)持“自主創(chuàng)新，品質(zhì)至上，團(tuán)結(jié)協(xié)作，成就客戶”為公司的核心價(jià)值，不斷地推出具備更強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力和良好市場(chǎng)前景的模擬/混合信號(hào)芯片產(chǎn)品，攜手客戶共同發(fā)展，共創(chuàng)輝煌，讓潤(rùn)石芯跳動(dòng)在電子產(chǎn)品世界的每個(gè)角落，矢志成為全球一流的模擬芯片公司！

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