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如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)算放大器?

2020-02-26
作者:德州儀器應(yīng)用工程師Timothy Claycomb
來源:德州儀器
關(guān)鍵詞: 運(yùn)算 放大器 輸出阻抗

  簡介

  一些運(yùn)算放大器(運(yùn)放)具有感性開環(huán)輸出阻抗,穩(wěn)定這一類運(yùn)放可能比阻性輸出阻抗的運(yùn)算放大器更為復(fù)雜。最常用的技術(shù)之一是使用“斷開環(huán)路”方法,這涉及到斷開閉環(huán)電路的反饋環(huán)路和查看環(huán)路增益以確定相位裕度。一種鮮為人知的方法是使用不需要斷開環(huán)路的閉環(huán)輸出阻抗。在本文中,我將討論如何使用閉環(huán)輸出阻抗來穩(wěn)定帶阻性或感性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)算放大器。

  等式1計(jì)算閉環(huán)輸出阻抗Zout,它取決于開環(huán)輸出阻抗Zo,開環(huán)增益Aol,和反饋系數(shù)B。方程1表明,隨著Aol的減小,Zout增加:

  Zout = Zo/(1 + Aol*B)(1)

  閉環(huán)輸出阻抗可以是阻性、感性和雙感性的,這取決于開環(huán)輸出阻抗在運(yùn)算放大器中的設(shè)計(jì)。對(duì)于帶阻性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)算放大器,閉環(huán)輸出阻抗是阻性的,并且因Aol的減小而隨頻率增加。當(dāng)Aol減小時(shí),閉環(huán)輸出阻抗變?yōu)楦行浴?duì)于帶感性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)算放大器,閉環(huán)輸出阻抗將具有雙感性。

  圖1顯示了運(yùn)算放大器閉環(huán)輸出阻抗的兩個(gè)示例。左邊是阻性開環(huán)輸出阻抗;右邊是開環(huán)輸出阻抗中的感性區(qū)域。對(duì)于左側(cè)的阻性開環(huán)輸出阻抗,注意到在大約10 Hz上, Zout隨頻率增加,并表現(xiàn)為一個(gè)16.4?H的電感。右邊的感性開環(huán)輸出阻抗示例有三個(gè)區(qū)域:容性、阻性和感性。這使得閉環(huán)輸出阻抗分別為阻性、雙感性和感性。

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  圖1: 阻性Zo,阻性和感性Zout(左);帶感性區(qū)域的Zo,帶雙感性的Zout(右)

  帶電阻性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)算放大器

  圖2顯示了一個(gè)具有阻性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載。

圖片2.png

  圖2:驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的阻性開環(huán)輸出阻抗

  圖3顯示了一個(gè)1μF電容的阻抗(Zc)、閉環(huán)輸出阻抗(Zout)和等效閉環(huán)輸出阻抗(Zeq)??梢钥吹?,等效阻抗在大約40 kHz時(shí)(此時(shí)Zout的感性區(qū)域與容負(fù)載相交)具有諧振頻率。此共振頻率會(huì)引起運(yùn)算放大器輸出振蕩,從而導(dǎo)致不穩(wěn)定。

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  圖3:1-μF電容阻抗、閉環(huán)輸出阻抗和等效閉環(huán)輸出阻抗

  圖4顯示了運(yùn)算放大器輸出上由諧振頻率引起的大量過沖。運(yùn)算放大器的輸出在40 kHz左右振蕩。

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  圖4:輸出上的大量過沖

  如要糾正這種不穩(wěn)定性,必須在電路中添加一個(gè)隔離電阻,因?yàn)檫@會(huì)改變等效閉環(huán)阻抗并消除共振頻率。等式2給出了計(jì)算穩(wěn)定電路所需的最小電阻值:

  R>2*sqrt(L/C)(2)

  如前所述,Zout顯示為一個(gè)16.4μH的電感。對(duì)于一個(gè)1μF的容性負(fù)載,必須使用8Ω或更大的隔離電阻來穩(wěn)定電路。圖5顯示了帶有隔離電阻的原理圖。

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  圖5:帶隔離電阻的原理圖

  圖6顯示了帶隔離電阻的等效閉環(huán)輸出阻抗(Zeq)。注意到諧振峰被消除了。

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  圖6:帶隔離電阻的等效閉環(huán)輸出阻抗

  圖7顯示,大量過沖已被添加的8Ω隔離電阻所消除。

圖片7.png

  圖7:使用一個(gè)8Ω隔離電阻之后的過沖

  帶感性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)算放大器

  有些運(yùn)算放大器在開環(huán)輸出阻抗中有一個(gè)感性區(qū)域。這使得閉環(huán)輸出阻抗變?yōu)殡p感性,讓容性負(fù)載難以穩(wěn)定。圖8顯示了使用一個(gè)帶感性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)放的1-μF電容阻抗(Zc)、閉環(huán)輸出阻抗(Zout)和等效閉環(huán)輸出阻抗(Zeq)。再次注意,在約120 kHz處存在峰值,在此處,雙感性閉環(huán)輸出阻抗與容性負(fù)載阻抗會(huì)相互作用,從而導(dǎo)致不穩(wěn)定性。

圖片8.png

  圖8:1-μF電容阻抗、閉環(huán)輸出阻抗和等效閉環(huán)輸出阻抗

  圖9顯示了運(yùn)算放大器輸出上由Zeq峰值引起的大量過沖。運(yùn)算放大器的輸出在120 kHz左右振蕩。

圖片9.png

  圖9:輸出上的大量過沖

  為了糾正這種不穩(wěn)定性,可以在反饋環(huán)路中添加一個(gè)電阻來改變開環(huán)輸出阻抗,從而消除閉環(huán)輸出阻抗中的雙感性區(qū)域。這簡化了隔離電阻的計(jì)算以穩(wěn)定運(yùn)算放大器。圖10顯示了反饋環(huán)路中添加的用于改變開環(huán)輸出阻抗的電阻。

圖片10.png

  圖10:反饋環(huán)路中電阻的原理圖

  圖11顯示,通過在反饋環(huán)路中添加一個(gè)100Ω的電阻,可以消除開環(huán)輸出阻抗中的大部分感性區(qū)域?,F(xiàn)在,修改后的閉環(huán)輸出阻抗在10Hz以上顯示為一個(gè)2.32 H電感。

圖片11.png

  圖11:修改后的開環(huán)和閉環(huán)輸出阻抗

  由于開環(huán)輸出阻抗現(xiàn)在大多是阻性的,所以可以采用與使用阻性開環(huán)輸出阻抗穩(wěn)定運(yùn)算放大器相同的方法。添加一個(gè)3Ω的隔離電阻可以穩(wěn)定電路。圖12顯示了使用100Ω電阻修改開環(huán)輸出阻抗和3Ω隔離電阻的穩(wěn)定電路。

圖片12.png

  圖12:帶反饋電阻和隔離電阻的穩(wěn)定電路的原理圖

  圖13顯示了通過向電路中添加兩個(gè)電阻來消除大量過沖和回響。

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  圖13:反饋環(huán)路中串聯(lián)一個(gè)電阻并外加一個(gè)隔離電阻之后的過沖

  結(jié)論

  穩(wěn)定一個(gè)帶感性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)放,要比穩(wěn)定一個(gè)帶阻性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)放復(fù)雜得多。與“斷開環(huán)路”方法相比,使用閉環(huán)輸出阻抗來穩(wěn)定運(yùn)算放大器會(huì)增加額外的好處,使您能夠判斷是否需要修改開環(huán)輸出阻抗。在反饋環(huán)路中添加一個(gè)電阻簡化了穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運(yùn)放的設(shè)計(jì)過程。

  與TI高精度實(shí)驗(yàn)室上的運(yùn)算放大器視頻系列中討論的方法相比,此方法顯著降低了穩(wěn)定運(yùn)算放大器所需的隔離電阻值。所以下次當(dāng)你發(fā)現(xiàn)很難穩(wěn)定運(yùn)算放大器時(shí),可以考慮使用本文討論的方法,看看在添加隔離電阻之前,是否需要修改開環(huán)輸出阻抗。

  參考文獻(xiàn)

  1. “基于Zout的負(fù)載電感放大器穩(wěn)定性問題的閉環(huán)分析?!钡轮輧x器應(yīng)用報(bào)告SLYA029,2017年10月。


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