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放大器驱动容性负载对稳定性的影响

2021年02月13日 09:58 次阅读

放大器驱动容性负载,是比较容易引发稳定性问题的电路。本篇将结合仿真讨论放大器自身的容性负载能力,以及针对容性负载驱动能力不足的情况,提供一种依据放大器开环输出阻抗参数补偿容性负载驱动能力,保证电路稳定工作的方法。

1、容性负载驱动参数定义

先看一个案例,如图2.110是一款常见基准源缓冲驱动电路。笔者曾接触到一位工程师使用直流参数极好的ADA4522-2作为ADC基准源的缓冲器,输出通过电容C1(10μf)、C2(0.1μf),连接到一款24bit∑∆型ADC的基准源引脚。工程师反馈基准源的输出非常稳定,但是在ADA4522输出存在振荡。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.110ADA4522基准源缓冲电路

使用电路仿真,瞬态分析结果如图2.111,输出振荡范围在2.486~2.514V,这对于精密采集电路无疑是致命的问题。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.111ADA4522基准源缓冲电路瞬态分析结果

笔者建议工程师使用具有容性负载驱动能力的放大器ADA4807进行替换,如果将图2.110基准源驱动电路中,ADA4522替换为ADA4807,电路如图2.158。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.158ADA4807基准源缓冲电路

进行瞬态分析的结果如图2.159,在ADA4807输出直接驱动10μf与0.1uf电容时,电路输出2.5V十分稳定。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.159ADA4807基准源缓冲电路瞬态分析结果

导致这种现象的原因是ADA4807相比ADA4522具有一定的容性负载驱动能力。容性负载驱动能力(CapaciTIveLoadDrive)是指放大器输出驱动容性负载时,对输出信号过冲的抑制能力,通常以百分比表示。

如图2.160,表示ADA4807在增益为1倍的电路中,输出驱动15pf电容,当输出信号峰峰值为20mV时,输出过冲的在17%以内。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.160ADA4807输出特性

通过图2.161可以更好的理解这一过程,负载电容为15pf,输出信号从-10mV到+10mV的阶跃变化,过充电压大约为3.5mV。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.161ADA4807不同容性负载下的小信号瞬态响应

2、容性负载对稳定性的影响

放大器输出驱动容性负载时,开环输出电阻Ro与负载电容Cload组成一阶RC电路。如图2.262,新增极点fp,频率为式2-93。

其中,开环输出电阻Ro,近似等于开环输出阻抗。

新增极点fp处相位延迟45°,高于10倍fp频率的相位延迟90°。参考《放大器相位裕度与电路稳定性判断方法》,在环路增益为0dB时,使用放大器的相位裕度判断电路是否稳定,即是否能直接驱动该容性负载。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.162放大器开环输出阻抗驱动电容负载电路图

如图2.163(a),以ADA4625-1为例的环路增益仿真电路,根据上一篇《放大器输出阻抗的参数计算与仿真》可知ADA4625-1开环输出电阻Ro约为28.96Ω,当电路输出直接驱动1uf容性负载时,由式2-93计算新增极点频率约为5.495KHz。另外,使用ADA4625输出驱动纯电阻电路进行对比,如图2.163(b)。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.163ADA4625驱动容性负载与阻性负载电路

AC分析结果如图2.164,ADA4625驱动纯阻性负载电路的环路增益为V(fb1)/V(in1)曲线,在30.1KHz处,V(fb1)/V(in1)曲线为53.118dB;在301.74KHz处,V(fb1)/V(in1)曲线为32.904dB,频率增益十倍增益衰减接近20dB。V(fb1)/V(in1)曲线波特图为0dB时对应的相位裕度为69.462°,判定电路输出稳定。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.164ADA4625驱动容性负载与阻性负载的环路增益波特图AC分析结果

ADA4625驱动容性负载电路的环路增益为V(fb)/V(in)曲线,与V(fb1)/V(in1)曲线的幅频特性在低频范围内重合。在6.9KHz处V(fb1)/V(in1)曲线与V(fb)/V(in)曲线的增益相差3dB,另外在6.9KHz前后20倍频率内V(fb)/V(in)曲线相位延迟90°,即ADA4625-1的Ro与Cload组成的极点频率为6.9KHz。在30.1KHz处,V(fb)/V(in)曲线的增益为39.785dB。在301.74KHz处,V(fb)/V(in)曲线的增益为0dB,频率增加十倍增益衰减接近40dB。V(fb)/V(in)曲线在波特图0dB处,对应相位裕度为1.075°,判断电路不稳定。

3、容性负载驱动补偿方法与仿真

补偿放大器容性负载驱动能力不足的方法是增加零点fz补偿极点产生相位延迟。如图2.165(a),在放大器的输出端Vout与容性负载Cload之间串联隔离电阻Riso,电路的输出传输网络简化为2.165(b),传递函数为式2-94。

由式2-94可见,使用隔离电阻Riso之后,极点频率调整为式2-95。

新增零点频率为式2-96。

为保证补偿电路驱动容性负载时,放大器稳定工作,即Avoβ为0dB时,相位裕度大于45°,零点频率至少设置在Avoβ为20dB处,因此隔离电阻最小值Riso_MIN为式2-97。

如图2.167,环路增益曲线为20dB时,频率为94.69KHz。代入式2-97计算隔离电阻为:

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.165容性负载驱动补偿电路分析

将图2.163(a)作为比对电路,应用在图2.166(a)。将所计算的Riso阻值,应用于容性负驱动补偿电路,如图2.166(b)。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.166ADA4625容性负载驱动补偿电路

AC分析结果如图2.167,使用Riso补偿电路的环路增益V(fb1)/V(in1)曲线的增益为0dB时,对应的相位裕度为83.69°。判断所使用的补偿方法有效,放大器输出稳定。

放大器驱动容性负载对稳定性的影响

图2.167ADA4625容性负驱动补偿电路波特图AC分析结果

综上,在一些精密放大器的规格书中,可能没有提供容性负载驱动参数,所以工程师容性负载驱动的电路中认真评估所使用放大器的驱动能力。针对驱动能力不足的放大器,需要结合放大器的开环输出阻抗设计隔离电阻,将新增零点的频率至少设置在原电路环路增益为20dB处进行补偿,保证电路稳定工作。
责任编辑:pj

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