使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，第 4 部分：穩(wěn)定性問(wèn)題和解決方案
本技術(shù)文章系列的前三期重點(diǎn)介紹了使用低功率放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的挑戰(zhàn)之一——不穩(wěn)定性——以及如何用一種簡(jiǎn)單的技術(shù)解決這個(gè)問(wèn)題。
大多數(shù)運(yùn)算放大器 (op amp) 應(yīng)用在負(fù)反饋環(huán)路中使用放大器，其中輸出信號(hào) (OUT) 連接到反相輸入 (IN–)。負(fù)反饋對(duì)于確保輸出電壓進(jìn)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(yùn)算放大器的開(kāi)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(fù)反饋有助于保持放大器的輸出穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)。
不幸的是，簡(jiǎn)單地將 OUT 反饋到 IN- 不足以確保穩(wěn)定的負(fù)反饋。如果輸出信號(hào)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(guò)度校正并超過(guò)其最終值，以嘗試解決問(wèn)題。這種效應(yīng)的結(jié)果是較長(zhǎng)的輸出穩(wěn)定時(shí)間。如果延遲變得足夠長(zhǎng)，則反饋信號(hào)將具有足夠的相位延遲，使其看起來(lái)像正反饋而不是負(fù)反饋。結(jié)果將是不需要的振蕩，如圖 1 所示。
圖 1：意外的運(yùn)算放大器不穩(wěn)定
反饋網(wǎng)絡(luò)中的大電阻-電容 (RC) 時(shí)間常數(shù)是造成這種延遲的原因。運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)輸出阻抗 (R O ) 和放大器的負(fù)載電容 (C Load ) 的組合，或大反饋電阻（R F和 R G）與運(yùn)算放大器的輸入電容 (C CM和C Diff )，形成 RC 時(shí)間常數(shù)。圖 2 顯示了運(yùn)算放大器電路中這些組件的示例。請(qǐng)注意，有些元件在運(yùn)算放大器內(nèi)部，而另一些在外部。RC 時(shí)間常數(shù)越大，延遲越長(zhǎng)。
圖 2：運(yùn)算放大器不穩(wěn)定的常見(jiàn)來(lái)源
使用低功率運(yùn)算放大器的電路特別容易受到穩(wěn)定性問(wèn)題的影響，因?yàn)榈凸β蔬\(yùn)算放大器本身具有較大的開(kāi)環(huán)輸出阻抗。對(duì)于表 1 中的低功耗運(yùn)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(kāi)環(huán)輸出阻抗會(huì)增加，從而使低功耗器件即使在容性負(fù)載較輕的情況下也不穩(wěn)定. 此外，具有低功耗運(yùn)算放大器的電路可能會(huì)使用大反饋電阻來(lái)節(jié)省功耗，從而進(jìn)一步惡化穩(wěn)定性。
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典型規(guī)格 |
TLV9062 |
TLV9002 |
TLV9042 |
TLV8802 |
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電源電壓 (V S ) |
1.8V-5.5V |
1.8V-5.5V |
1.2V-5.5V |
1.7V-5.5V |
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帶寬 (GBW) |
10兆赫 |
1兆赫 |
350kHz |
6kHz |
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25°C 時(shí)每通道的典型 I Q |
538μA |
60μA |
10μA |
320 毫安 |
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10 kHz 時(shí)的開(kāi)環(huán)輸出阻抗 |
100Ω |
1.1kΩ |
7.5kΩ |
190kΩ |
表 1：比較低功耗運(yùn)算放大器
穩(wěn)定技術(shù)
最常見(jiàn)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(fù)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(yùn)算放大器輸出端增加一個(gè)電阻，而且這個(gè)電阻通常不需要太精確。盡管隔離電阻器可能很大并且會(huì)導(dǎo)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(diǎn)對(duì)于低功率運(yùn)算放大器而言通常不是一個(gè)重大問(wèn)題。
那么 R iso方法是如何工作的呢？輸出端的容性負(fù)載與放大器的開(kāi)環(huán)輸出阻抗相互作用，產(chǎn)生一個(gè) RC 時(shí)間常數(shù)。該 RC 時(shí)間常數(shù)在反饋路徑中引入了顯著延遲。過(guò)大的延遲可以有效地將負(fù)反饋回路轉(zhuǎn)變?yōu)檎答伝芈?。放置適當(dāng)大小的 R iso組件（如圖 3 所示）可以抵消 RC 時(shí)間常數(shù)的影響并減少反饋延遲。結(jié)果是一個(gè)更穩(wěn)定的電路。TI Precision Labs運(yùn)算放大器視頻系列對(duì)這種效應(yīng)提供了更嚴(yán)格的數(shù)學(xué)解釋。
圖 3：改進(jìn)的運(yùn)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(yīng)用。例如，大反饋電阻與放大器輸入電容的相互作用有時(shí)會(huì)導(dǎo)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(jiàn)；將其視為反饋網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)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(shí)間常數(shù)。
圖 4：帶和不帶 C Comp的 20mV 階躍輸入
作為實(shí)際考慮，我建議在低功耗運(yùn)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(yīng)的測(cè)試點(diǎn)。這樣做可以通過(guò)添加組件快速修復(fù)穩(wěn)定性問(wèn)題，并且比重新設(shè)計(jì) PCB 更容易且成本更低。不需要時(shí)，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(yùn)算放大器是功率受限應(yīng)用中的重要組件。不幸的是，這些設(shè)備帶來(lái)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(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)所帶來(lái)的節(jié)能效果。
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