放大器容性负载驱动的参数评估与稳定性改善方法

放大器参数解析 2021-01-17 00:00

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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。

图2.110 ADA4522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。

图2.111 ADA4522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。

图2.158 ADA4807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。

图2.159 ADA4807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（Capacitive Load Drive）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。

图2.160 ADA4807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。

图2.161 ADA4807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。

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）。

图2.163 ADA4625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。

图2.164 ADA4625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。