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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?

發(fā)布時間:2020-02-27 責任編輯:lina

【導讀】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。

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B。方程1表明,隨著Aol的減小,Zout增加:
 
Zout = Zo/(1 + Aol*B)                      (1)
 
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,并表現為一個16.4µH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。
  
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。現在,修改后的閉環(huán)輸出阻抗在10Hz以上顯示為一個2.32 µH電感。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
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。
 
如何輕松穩(wěn)定帶感性開環(huán)輸出阻抗的運算放大器?
圖13:反饋環(huán)路中串聯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。
(來源:德州儀器,作者應用工程師Timothy Claycomb)
 
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