确保电流反馈放大器稳定性的设计技巧之探讨

由于高增益峰值及其他各种原因，电流反馈（CFB）放大器可能变的不稳定、出现极端情况甚至进入振荡状态。 放大器不稳定的原因有两个，反馈电阻值过低以及引入对地的寄生输入、输出电容。小电容会导致放大器的频率响应在高频时达到峰值，同时高电容值会迫使器件进入自持振荡，忽略任何输入信号的激励。

本文将介绍如何确保放大器稳定性的设计技巧，包括须知与禁忌，无需深入研究基本数学原理即可设计出稳定的放大器电路。

最大限度降低寄生电容对放大器稳定性影响的方法主要有三种：

1. 良好的布线技术，以最大限度减少寄生电路板和探头电容。
2. 使用CFB放大器厂商规定的反馈和增益电阻值，保证提供足够的相位裕度以承受较小的寄生电容。
3. 利用补偿技术，最大限度降低频率响应峰值和脉冲响应过冲。

电路板布线技巧

优化电路性能，使CFB放大器效果达到最佳，需特别注意：电路板布线寄生、外部元件类型和电阻值。以下建议有助于优化电路性能（参考图1和图2）：

• 使用去耦电容对电源引脚进行低频和高频缓冲。对于高频，并联使用100nF和100pF电容，并将它们安置在距离电源引脚不到6mm的位置。对于低频，使用6.8μF钽电容，可距离放大器更远，并允许在其它设备间共享。避免使用窄电源和接地走线，尽量减少走线电感，特别是电源引脚和去耦电容间的走线电感。
• 由于放大器的输出和反相输入引脚对寄生电容最敏感，因此将输出电阻R_S（如需要）靠近输出引脚处，反馈和增益电阻（R_F和R_G）靠近反相输入，将各自引脚与所有走线电容隔离。
• 在非反相输入处增加R_IN和C_IN占位符，以补偿由反相输入端的寄生电容（C_PI）引起的增益峰值。
• 确定是否需要输出隔离电阻。低寄生电容负载（<5pF）通常不需要R_S。此外，更高的寄生输出电容可在没有R_S的情况下驱动，但需要更高的闭环增益设置。
• 保持输入和输出引脚周围无接地层和无电源层的区域，尽量减轻交流接地相关电容的积聚。在电路板的其它地方，接地层和电源层应保持完好。
• 通过100Ω电阻将每个测试点连接到要测量的走线，并隔离探针电容示波器与信号走线。

图1：具备寄生电容和补偿元件R_S、R_IN及C_IN 的CFB放大器。

图2：无接地窗口的双层PCB推荐布线。

使用既定R_F值

CFB放大器厂商通常指定多个R_F值，每个RF值对应不同的增益设置。使用推荐的电阻值可确保最佳性能，而不会带来（或造成很小幅度的）峰值增益或带宽损失；偏离这些值则会改变放大器性能。图3中显示了在信号增益为2时使用不同R_F值的情况，可见，当指定值R_F=1.1kΩ时达到最佳性能。但当R_F提高至1.5kΩ时，出现带宽损失，而当R_F降低到600Ω时，会产生增益峰值（图4）。

因此，要获得最佳性能，请遵循厂商建议的R_F值。

图3：使用数据表中指定的R_F值可确保最佳性能。

图4：偏离指定的R_F值会导致增益达到峰值或降低带宽。

补偿寄生电容的影响

为区分输入端（C_PI）和输出端（C_PO）的寄生电容，可进行脉冲响应测试。C_PI通常小于C_PO，并会导致短暂信号过冲；而C_PO通常会造成信号振铃现象延长（图5）。当然，若C_PI > C_PO，情况则会反转；然而这种情况很少发生。

图5：CPI引起的信号过冲与C_PO导致的信号振铃现象。

寄生输入电容C_PI

反相输入端（C_PI）的寄生电容通常较小（0.5至5pF），由布线杂散电容和表面贴装电阻RG的固有分流电容组成。C_PI、R_F、R_G共同在放大器反馈路径中形成低通特性，在放大器传递函数V_O/V_I中转换为高通特性。

这种高通特性可在非反相放大器输入端用R-C低通滤波器进行补偿。为此，非反相输入端的输入电容须与反相输入端的寄生电容相匹配（CIN = CPI），且RIN值必须等于反馈和增益电阻的并联值（RIN = RF||RG）。

      图6：通过R_IN-C_IN消除增益峰值。                              

图7：通过R_IN-C_IN减少过冲。

图6和图7显示了图1中电路的频率和脉冲响应。当放大器以G=2运行时，其中R_F = R_G为厂商规定的最佳性能电阻值。图6和图7中的其它观察结果包括：

• 当CPI = 0时，黑色曲线所示的频率和脉冲响应既未出现增益峰值也未出现过冲。对于10MHz的±100mV测试输入，标称增益为6dB，脉冲幅度为±200mV。
• 当C_PI = 5pF时，红色曲线所示的频率和脉冲响应显示增益峰值接近21dB，过冲为±1V。
• 在补偿情况下（蓝色曲线），当C_IN = C_PI = 5pF ，且R_IN = R_F||R_G = R_F/2时，频率和脉冲响应分别显示增益峰值和过冲降低至0.5dB和±45mV。

寄生输出电容C_PO

放大器输出端（C_PO）寄生电容还包含布线杂散电容，但大部分通常来自较大的负载电容，例如瞬态抑制器和电流导引二极管的结电容、电缆电容，模数转换器及其它放大器的输入电容。因此，C_PO的总值可低至20pF，也可能达到几个100pF。

综上所述，通常较小的寄生输出电容对传递函数几乎没有影响，但较大的C_PO值会导致高增益峰值，并且脉冲响应会延长振铃。图8和图9显示了输出电容为20pF的影响，其增益峰值小于1dB，且仅出现低于30mV的小过冲。若需要补偿C_PO，则稍微提高R_F、R_G值即可。

图8：利用较高RF值补偿较小C_PO值。

图9：补偿结果显示几乎无法区分的脉冲响应。

与此相反，补偿较大的输出电容十分必要。图10和图11显示了在未进行补偿的情况下，传递函数达到约15dB的增益峰值，且C_PO为500pF时（红色曲线）脉冲响应中的长时间信号振铃。即使提高R_F、R_G电阻值，改善效果也十分有限（蓝色曲线）。不过，安置串联电阻（R_S）可将放大器输出与容性负载隔离（参见图1电路）。在此模拟中，需要一个仅为3.9Ω的小R_S值将增益峰降至0.5dB以下，同时将信号过冲从±400mV降低到±50mV。

图10：高CPO值需要额外的隔离电阻R_S。          

 图11：通过R_S补偿显著改善脉冲响应。

结论

本文中重点探讨的设计以确保放大器的稳定性，总结如下：

• 应用良好的布线技术将寄生电容降至最低
• 使用6.8μF、100nF和100pF电容器为电源电压提供低频和高频缓冲
• 在测试点和待测量走线间插入100Ω电阻，隔离探针电容与信号走线
• 使用数据表中指定的电阻值
• 进行初始脉冲响应测试，以区分寄生输入和输出电容
• 通过R-C低通滤波器补偿非反相信号输入端的寄生输入电容
• 提高RF和RG值，补偿较小寄生输出电容
• 插入低值隔离电阻RS，补偿较大的寄生输出电容

关于作者

Tom Kugelstadt是瑞萨电子（美国）公司首席应用工程师，为工业系统定义了新的高性能模拟产品。他拥有法兰克福应用科学大学硕士学位，在模拟电路设计领域有超过35年经验。

（原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站，参考链接：Keeping current feedback amplifiers stable。）

本文转载自《电子技术设计》网站