運放電路單反饋Riso 穩(wěn)定性補(bǔ)償方法

導(dǎo)致運放穩(wěn)定性問題的，最常見原因是輸出端的電容。一些經(jīng)常有大電容負(fù)載的電路包括有，參考電壓緩沖電路，線路/屏蔽層驅(qū)動電路，以及MOSFET驅(qū)動電路。在 MOSFET驅(qū)動電路和線路/屏蔽層驅(qū)動電路上，容性負(fù)載不能馬上能看到，所以一定要檢查運放輸出端是否有連接任何寄生電容。

我們已經(jīng)知道如何生成一個運放電路的開環(huán)曲線?，F(xiàn)在可以仿真容性負(fù)載的影響，從而確定問題，如結(jié)果所示10nF的容性負(fù)載，在Aol曲線上生成一個極點，使在 fc 頻率處的 Aol*β 曲線的相位降低到只有4度，讓我們檢查一下這里的原因。

如果我們檢查這個開環(huán)電路的簡化圖，可以看到輸入信號通過，開環(huán)增益模塊Aol gain block ，然后進(jìn)入串聯(lián)的開環(huán)輸出阻抗Ro，最后到達(dá)運放輸出Vo，由于在運放輸出端與地之間的電容Cload，運放的 Aol 曲線上就會有Ro和Cload組成的RC分壓器負(fù)載。

為了理解輸出負(fù)載的效果，這里畫出Ro和Cload的等效電路的AC傳遞函數(shù)，極點位置可以通過傳遞函數(shù)計算，并在圖片的下方給出。

如果將原始運放的Aol曲線以及Aol負(fù)載曲線疊加起來，結(jié)果就得到底部所示的負(fù)載Aol曲線，可以看到由Ro和Cload相互作用產(chǎn)生的Aol極點，導(dǎo)致Aol曲線變成-40dB/dec的斜率并減少了單位增益相位裕量。

在理解了容性負(fù)載，如何導(dǎo)致電路不穩(wěn)定之后，我們開始介紹第一種補(bǔ)償技術(shù)叫做Riso方法。Riso 方法通過加入一個零點，去抵消由輸出阻抗和容性負(fù)載產(chǎn)生的極點，從而補(bǔ)償電路。

看一下使用Riso補(bǔ)償方法后的開環(huán)曲線，可以看到一個零點抵消了由 Riso和Cload組成的極點 ，這使得Aol的斜率回到20dB/dec并顯著改進(jìn)了相位裕量。

我們可以使用檢查帶容性負(fù)載的電路的方法，來檢查開環(huán)Riso電路，同樣地這里的Aol是帶著阻抗分壓器負(fù)載的曲線，但這次Riso和Cload都在分壓器的下端，只有Ro在分壓器的上端。

我們可以將Aol 負(fù)載，類比為典型的電阻分壓器。記住分壓器的傳遞函數(shù)，等于下端的阻抗除以上下端的阻抗之和。同樣的原理應(yīng)用到Ro，Riso和Cload上。如右圖所示，Ro組成Z1上端的阻抗，同時Riso和Cload的串聯(lián)組成Z2，下端的阻抗，傳遞函數(shù)可以簡化成，右下角所示的表達(dá)式。分子上有一個僅依賴于Riso和Cload的零點，均為外部器件，同時分母上有一個依賴于Ro，Riso和Cload的極點。

這里展示了這個拉普拉斯Laplace傳遞函數(shù)計算結(jié)果，注意到在分子和分母中都有一個s項，可清楚地知道在傳遞函數(shù)中有一個零點和一個極點，極點和零點頻率的計算公式，可以從傳遞函數(shù)中得到。畫出AC傳遞函數(shù)，您可以看到由零點產(chǎn)生的正相移，抵消了由極點產(chǎn)生的負(fù)相移，使凈相移為0 度。

如前面一樣，將Aol 曲線和Aol負(fù)載曲線加在一起，我們可以再一次看到由Riso加入的零點，抵消了 Aol曲線上的極點，并且恢復(fù)了單位增益相位裕量到可接受的一個穩(wěn)定范圍。

為了設(shè)計使相位裕量大于60度的Riso電路，首先要找到負(fù)載Aol曲線等于20dB時對應(yīng)的頻率 fzero，然后使用左邊展示的公式以及Cload和fzero的值來計算Riso 的值。在此例子中Riso的值為108ohm，根據(jù)運放單位增益相位裕量以及Aol極點的位置，相位裕量會介于在60度和90度之間。

綜上所述，找到負(fù)載Aol曲線等于20dB時的頻率，并通過計算合適的Riso值，把零點設(shè)置到這個頻率上。雖然我們這里不會對背后的原理多做介紹，但是大家可以記住，如果零點頻率比極點高大約1.5個十倍頻 ，Riso值應(yīng)該增加以阻止環(huán)路中Aol*β的相位下降太多。如果Riso至少等于Ro/34 ，那么零點就會在極點的1.5 個十倍頻范圍內(nèi)，如果電路不要求提供大電流輸出，那么考慮增加Riso到等于或大于Ro ，電路基本上會在所有容性負(fù)載下穩(wěn)定。

對比有和沒有Riso的電路的瞬態(tài)響應(yīng)，我們可以看到使用Riso的明顯改善，沒有Riso電路的輸出會有嚴(yán)重的過沖和振鈴。

雖然Riso電路易于實施和設(shè)計，它在精密電路里有一個不足之處，Riso上的壓降依賴于輸出電流和輸出負(fù)載，并且與所需信號相比可能十分顯著，如這里給出的由于250Ω的輸出負(fù)載，一個10mV的信號會有超過3mV，也就是30%的誤差。