使用低功耗運算放大器進行設計，第 4 部分：穩(wěn)定性問題和解決方案

本技術(shù)文章系列的前三期重點介紹了使用低功率放大器進行設計的好處以及如何最大限度地提高其效率。不幸的是，低功率放大器也需要權(quán)衡取舍。在第四部分中，我將考慮低功率放大器設計中最常見的挑戰(zhàn)之一——不穩(wěn)定性——以及如何用一種簡單的技術(shù)解決這個問題。

大多數(shù)運算放大器 (op amp) 應用在負反饋環(huán)路中使用放大器，其中輸出信號 (OUT) 連接到反相輸入 (IN–)。負反饋對于確保輸出電壓進行調(diào)整以使輸入保持在相同的電壓電平是必要的。這種調(diào)整可防止運算放大器的開環(huán)增益（通常為 1 V/MV 或 120 dB）將放大器的輸出軌控到電源電壓之一。因此，負反饋有助于保持放大器的輸出穩(wěn)定且可預測。

不幸的是，簡單地將 OUT 反饋到 IN- 不足以確保穩(wěn)定的負反饋。如果輸出信號在返回 IN– 的途中被延遲，則輸入引腳上的電壓將不匹配。然后，輸出電壓將過度校正并超過其最終值，以嘗試解決問題。這種效應的結(jié)果是較長的輸出穩(wěn)定時間。如果延遲變得足夠長，則反饋信號將具有足夠的相位延遲，使其看起來像正反饋而不是負反饋。結(jié)果將是不需要的振蕩，如圖 1 所示。

圖 1：意外的運算放大器不穩(wěn)定

反饋網(wǎng)絡中的大電阻-電容 (RC) 時間常數(shù)是造成這種延遲的原因。運算放大器的開環(huán)輸出阻抗 (R O ) 和放大器的負載電容 (C Load ) 的組合，或大反饋電阻（R F和 R G）與運算放大器的輸入電容 (C CM和C Diff )，形成 RC 時間常數(shù)。圖 2 顯示了運算放大器電路中這些組件的示例。請注意，有些元件在運算放大器內(nèi)部，而另一些在外部。RC 時間常數(shù)越大，延遲越長。

圖 2：運算放大器不穩(wěn)定的常見來源

使用低功率運算放大器的電路特別容易受到穩(wěn)定性問題的影響，因為低功率運算放大器本身具有較大的開環(huán)輸出阻抗。對于表 1 中的低功耗運算放大器，隨著靜態(tài)電流 (I Q ) 和增益帶寬積 (GBW) 的降低，放大器的開環(huán)輸出阻抗會增加，從而使低功耗器件即使在容性負載較輕的情況下也不穩(wěn)定. 此外，具有低功耗運算放大器的電路可能會使用大反饋電阻來節(jié)省功耗，從而進一步惡化穩(wěn)定性。

表 1：比較低功耗運算放大器

穩(wěn)定技術(shù)

最常見的穩(wěn)定方法是隔離電阻 (R iso ) 方法，該方法用于具有容性負載的放大器。這種穩(wěn)定性技術(shù)只需要在反饋環(huán)路之后的運算放大器輸出端增加一個電阻，而且這個電阻通常不需要太精確。盡管隔離電阻器可能很大并且會導致由電壓降引起的輸出誤差，但大多數(shù)低功率電路具有低電流輸出。因此，隔離電阻的主要缺點對于低功率運算放大器而言通常不是一個重大問題。

那么 R iso方法是如何工作的呢？輸出端的容性負載與放大器的開環(huán)輸出阻抗相互作用，產(chǎn)生一個 RC 時間常數(shù)。該 RC 時間常數(shù)在反饋路徑中引入了顯著延遲。過大的延遲可以有效地將負反饋回路轉(zhuǎn)變?yōu)檎答伝芈?。放置適當大小的 R iso組件（如圖 3 所示）可以抵消 RC 時間常數(shù)的影響并減少反饋延遲。結(jié)果是一個更穩(wěn)定的電路。TI Precision Labs運算放大器視頻系列對這種效應提供了更嚴格的數(shù)學解釋。

圖 3：改進的運算放大器穩(wěn)定性

盡管 R iso方法是一種有效的技術(shù)，但它并不適用于所有應用。例如，大反饋電阻與放大器輸入電容的相互作用有時會導致不穩(wěn)定。這種相互作用在具有增益的低功率放大器電路中更為常見；將其視為反饋網(wǎng)絡中的另一個延遲。為了抵消這種影響，我們可以選擇使用大小與放大器輸入電容（由共模輸入電容 [CCM] 和差模輸入之和表示）相似的反饋電容 (C Comp )數(shù)據(jù)表中的電容 [C Diff ]），從而抵消了由輸入電容和反饋電阻形成的時間常數(shù)。

圖 4：帶和不帶 C Comp的 20mV 階躍輸入

作為實際考慮，我建議在低功耗運算放大器電路附近的電路板上包括 R iso和 C Comp的印刷電路板 (PCB) 封裝以及相應的測試點。這樣做可以通過添加組件快速修復穩(wěn)定性問題，并且比重新設計 PCB 更容易且成本更低。不需要時，我們可以用 0-Ω 電阻器替換 R iso并使 C Comp不填充。

結(jié)論

低功耗運算放大器是功率受限應用中的重要組件。不幸的是，這些設備帶來了穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。使用上述技術(shù)，這些困難可以得到緩解，我們可以享受穩(wěn)健的低功耗運算放大器電路設計所帶來的節(jié)能效果。