最大限度降低寄生電容對(duì)放大器穩(wěn)定性影響的三種方案

由于高增益峰值及其他各種原因，電流反饋（CFB）放大器可能變的不穩(wěn)定，極端情況甚至進(jìn)入振蕩狀態(tài)。放大器不穩(wěn)定的原因有兩個(gè)，反饋電阻值過低以及引入對(duì)地的寄生輸入、輸出電容。小電容會(huì)導(dǎo)致放大器的頻率響應(yīng)在高頻時(shí)達(dá)到峰值，同時(shí)高電容值會(huì)迫使器件進(jìn)入自持振蕩，忽略任何輸入信號(hào)的激勵(lì)。

本文將介紹如何確保放大器穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)技巧，包括須知與禁忌，無需深入研究基本數(shù)學(xué)原理即可設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的放大器電路。

最大限度降低寄生電容對(duì)放大器穩(wěn)定性影響的方法主要有三種：

良好的布線技術(shù)，以最大限度減少寄生電路板和探頭電容。

使用CFB放大器廠商規(guī)定的反饋和增益電阻值，保證提供足夠的相位裕度以承受較小的寄生電容。

利用補(bǔ)償技術(shù)，最大限度降低頻率響應(yīng)峰值和脈沖響應(yīng)過沖。

電路板布線技巧

優(yōu)化電路性能，使CFB放大器效果達(dá)到最佳，需特別注意：電路板布線寄生、外部元件類型和電阻值。以下建議有助于優(yōu)化電路性能（參考圖1和圖2）：

使用去耦電容對(duì)電源引腳進(jìn)行低頻和高頻緩沖。對(duì)于高頻，并聯(lián)使用100nF和100pF電容，并將它們安置在距離電源引腳不到6mm的位置。對(duì)于低頻，使用6.8μF鉭電容，可距離放大器更遠(yuǎn)，并允許在其它設(shè)備間共享。避免使用窄電源和接地走線，盡量減少走線電感，特別是電源引腳和去耦電容間的走線電感。

由于放大器的輸出和反相輸入引腳對(duì)寄生電容最敏感，因此將輸出電阻RS（如需要）靠近輸出引腳處，反饋和增益電阻（RF和RG）靠近反相輸入，將各自引腳與所有走線電容隔離。

在非反相輸入處增加RIN和CIN占位符，以補(bǔ)償由反相輸入端的寄生電容（CPI）引起的增益峰值。

確定是否需要輸出隔離電阻。低寄生電容負(fù)載（<5pF）通常不需要RS。此外，更高的寄生輸出電容可在沒有RS的情況下驅(qū)動(dòng)，但需要更高的閉環(huán)增益設(shè)置。

保持輸入和輸出引腳周圍無接地層和無電源層的區(qū)域，盡量減輕交流接地相關(guān)電容的積聚。在電路板的其它地方，接地層和電源層應(yīng)保持完好。

通過100Ω電阻將每個(gè)測試點(diǎn)連接到要測量的走線，并隔離探針電容示波器與信號(hào)走線。

圖1：具備寄生電容和補(bǔ)償元件RS、RIN及CIN的CFB放大器。

圖2：無接地窗口的雙層PCB推薦布線。

使用既定RF值

CFB放大器廠商通常指定多個(gè)RF值，每個(gè)RF值對(duì)應(yīng)不同的增益設(shè)置。使用推薦的電阻值可確保最佳性能，而不會(huì)帶來（或造成很小幅度的）峰值增益或帶寬損失；偏離這些值則會(huì)改變放大器性能。圖3中顯示了在信號(hào)增益為2時(shí)使用不同RF值的情況，可見，當(dāng)指定值RF=1.1kΩ時(shí)達(dá)到最佳性能。但當(dāng)RF提高至1.5kΩ時(shí)，出現(xiàn)帶寬損失，而當(dāng)RF降低到600Ω時(shí)，會(huì)產(chǎn)生增益峰值（圖4）。

因此，要獲得最佳性能，請(qǐng)遵循廠商建議的RF值。

圖3：使用數(shù)據(jù)表中指定的RF值可確保最佳性能。

圖4：偏離指定的RF值會(huì)導(dǎo)致增益達(dá)到峰值或降低帶寬。

補(bǔ)償寄生電容的影響

為區(qū)分輸入端（CPI）和輸出端（CPO）的寄生電容，可進(jìn)行脈沖響應(yīng)測試。CPI通常小于CPO，并會(huì)導(dǎo)致短暫信號(hào)過沖；而CPO通常會(huì)造成信號(hào)振鈴現(xiàn)象延長（圖5）。當(dāng)然，若CPI> CPO，情況則會(huì)反轉(zhuǎn)；然而這種情況很少發(fā)生。

圖5：CPI引起的信號(hào)過沖與CPO導(dǎo)致的信號(hào)振鈴現(xiàn)象。

寄生輸入電容CPI

反相輸入端（CPI）的寄生電容通常較?。?.5至5pF），由布線雜散電容和表面貼裝電阻RG的固有分流電容組成。CPI、RF、RG共同在放大器反饋路徑中形成低通特性，在放大器傳遞函數(shù)VO/VI中轉(zhuǎn)換為高通特性。

這種高通特性可在非反相放大器輸入端用R-C低通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。為此，非反相輸入端的輸入電容須與反相輸入端的寄生電容相匹配（CIN= CPI），且RIN值必須等于反饋和增益電阻的并聯(lián)值（RIN= RF||RG）。

圖6：通過RIN-CIN消除增益峰值。

圖7：通過RIN-CIN減少過沖。

圖6和圖7顯示了圖1中電路的頻率和脈沖響應(yīng)。當(dāng)放大器以G=2運(yùn)行時(shí)，其中RF= RG為廠商規(guī)定的最佳性能電阻值。圖6和圖7中的其它觀察結(jié)果包括：

當(dāng)CPI= 0時(shí)，黑色曲線所示的頻率和脈沖響應(yīng)既未出現(xiàn)增益峰值也未出現(xiàn)過沖。對(duì)于10MHz的±100mV測試輸入，標(biāo)稱增益為6dB，脈沖幅度為±200mV。

當(dāng)CPI= 5pF時(shí)，紅色曲線所示的頻率和脈沖響應(yīng)顯示增益峰值接近21dB，過沖為±1V。

在補(bǔ)償情況下（藍(lán)色曲線），當(dāng)CIN= CPI= 5pF，且RIN= RF||RG= RF/2時(shí)，頻率和脈沖響應(yīng)分別顯示增益峰值和過沖降低至0.5dB和±45mV。

寄生輸出電容CPO

放大器輸出端（CPO）寄生電容還包含布線雜散電容，但大部分通常來自較大的負(fù)載電容，例如瞬態(tài)抑制器和電流導(dǎo)引二極管的結(jié)電容、電纜電容，模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其它放大器的輸入電容。因此，CPO的總值可低至20pF，也可能達(dá)到幾個(gè)100pF。

綜上所述，通常較小的寄生輸出電容對(duì)傳遞函數(shù)幾乎沒有影響，但較大的CPO值會(huì)導(dǎo)致高增益峰值，并且脈沖響應(yīng)會(huì)延長振鈴。圖8和圖9顯示了輸出電容為20pF的影響，其增益峰值小于1dB，且僅出現(xiàn)低于30mV的小過沖。若需要補(bǔ)償CPO，則稍微提高RF、RG值即可。

圖8：利用較高RF值補(bǔ)償較小CPO值。

圖9：補(bǔ)償結(jié)果顯示幾乎無法區(qū)分的脈沖響應(yīng)。

與此相反，補(bǔ)償較大的輸出電容十分必要。圖10和圖11顯示了在未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，傳遞函數(shù)達(dá)到約15dB的增益峰值，且CPO為500pF時(shí)（紅色曲線）脈沖響應(yīng)中的長時(shí)間信號(hào)振鈴。即使提高RF、RG電阻值，改善效果也十分有限（藍(lán)色曲線）。不過，安置串聯(lián)電阻（RS）可將放大器輸出與容性負(fù)載隔離（參見圖1電路）。在此模擬中，需要一個(gè)僅為3.9Ω的小RS值將增益峰降至0.5dB以下，同時(shí)將信號(hào)過沖從±400mV降低到±50mV。

圖10：高CPO值需要額外的隔離電阻RS。

圖11：通過RS補(bǔ)償顯著改善脈沖響應(yīng)。

結(jié)論

本文中重點(diǎn)探討的設(shè)計(jì)以確保放大器的穩(wěn)定性，總結(jié)如下：

應(yīng)用良好的布線技術(shù)將寄生電容降至最低

使用6.8μF、100nF和100pF電容器為電源電壓提供低頻和高頻緩沖

在測試點(diǎn)和待測量走線間插入100Ω電阻，隔離探針電容與信號(hào)走線

使用數(shù)據(jù)表中指定的電阻值

進(jìn)行初始脈沖響應(yīng)測試，以區(qū)分寄生輸入和輸出電容

通過R-C低通濾波器補(bǔ)償非反相信號(hào)輸入端的寄生輸入電容

提高RF和RG值，補(bǔ)償較小寄生輸出電容

插入低值隔離電阻RS，補(bǔ)償較大的寄生輸出電容

參考資料

1.AN1306，如何規(guī)避軌到軌CMOS放大器的不穩(wěn)定性，2007年9月

2. AN9663，從電壓反饋轉(zhuǎn)換為電流反饋放大器，2006年3月

3. AN9420，電流反饋放大器理論與應(yīng)用，1995年4月

4. AN9787，一種了解電流反饋放大器的直觀方法，2004年10月

5. AN1106，實(shí)際電流反饋放大器設(shè)計(jì)參考，1998年3月

關(guān)于作者

Tom Kugelstadt是瑞薩電子（美國）公司首席應(yīng)用工程師，為工業(yè)系統(tǒng)定義了新的高性能模擬產(chǎn)品。他擁有法蘭克福應(yīng)用科學(xué)大學(xué)碩士學(xué)位，在模擬電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域具備超過35年經(jīng)驗(yàn)。
編輯：hfy