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如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?

2020-02-26
作者:德州儀器應用工程師Timothy Claycomb
來源:德州儀器

  簡介

  一些運算放大器(運放)具有感性開環(huán)輸出阻抗,,穩(wěn)定這一類運放可能比阻性輸出阻抗的運算放大器更為復雜,。最常用的技術之一是使用“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)輸出阻抗的運算放大器,。

  等式1計算閉環(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)輸出阻抗在運算放大器中的設計,。對于帶阻性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器,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Aol減小時,閉環(huán)輸出阻抗變?yōu)楦行?。對于帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器,,閉環(huán)輸出阻抗將具有雙感性。

  圖1顯示了運算放大器閉環(huán)輸出阻抗的兩個示例,。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。對于左側的阻性開環(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16.4?H的電感。右邊的感性開環(huán)輸出阻抗示例有三個區(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)輸出阻抗的運算放大器

  圖2顯示了一個具有阻性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器驅動容性負載。

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  圖2:驅動容性負載的阻性開環(huán)輸出阻抗

  圖3顯示了一個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(此時Zout的感性區(qū)域與容負載相交)具有諧振頻率。此共振頻率會引起運算放大器輸出振蕩,,從而導致不穩(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顯示了運算放大器輸出上由諧振頻率引起的大量過沖,。運算放大器的輸出在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隔離電阻,,因為這會改變等效閉環(huán)阻抗并消除共振頻率,。等式2給出了計算穩(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16.4μH的電感,。對于一個1μF的容性負載,,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。

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  圖7:使用一個8Ω隔離電阻之后的過沖

  帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器

  有些運算放大器在開環(huán)輸出阻抗中有一個感性區(qū)域,。這使得閉環(huán)輸出阻抗變?yōu)殡p感性,,讓容性負載難以穩(wěn)定。圖8顯示了使用一個帶感性開環(huán)輸出阻抗的運放的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)輸出阻抗與容性負載阻抗會相互作用,從而導致不穩(wěn)定性,。

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  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顯示了運算放大器輸出上由Zeq峰值引起的大量過沖。運算放大器的輸出在120 kHz左右振蕩,。

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  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算以穩(wěn)定運算放大器,。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,。

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  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2.32 H電感。

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  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)定運算放大器相同的方法,。添加一個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,。

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  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)一個電阻并外加一個隔離電阻之后的過沖

  結論

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

  與TI高精度實驗室上的運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)定運算放大器所需的隔離電阻值,。所以下次當你發(fā)現(xiàn)很難穩(wěn)定運算放大器時,,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

  1. “基于Zout的負載電感放大器穩(wěn)定性問題的閉環(huán)分析,。”德州儀器應用報告SLYA029,,2017年10月,。


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