1 前言
集成运算放大器的参数有很多,但涉及到实际应用环境的不同,一些参数非常重要,另外一些则相对次要。例如,在交流高频领域,会重视带宽和压摆率,而在直流精密场合,则重视输入失调电压、输入偏置电流。还有一些参数,不管直流还是交流,都会重点关注,如开环增益、共模抑制比、电源抑制比等。
但是稳定性设计提及的频率非常低,可能大部分设计人员认为正反馈才振荡,负反馈运放电路不稳定是一个小概率的事情。特别是在直流精密领域,仿佛从来没有稳定性这么一个说法,大家就把它放在教科书里面而已。但是稳定性不发生问题则以,一旦发生问题,则是较难处理的问题。精度不好,可以用软件校验的方式校准,线性度不好可以采用多段线方式来标定。但是一旦硬件振荡,可能不是细微改动运放附近电路的参数就能解决,大部分情况下面临着改 PCB 板的风险,改 PCB 板意味着设计定型的时间延迟,这对产品生产、上市的压力可想而知。
因此,对于模拟量采集系统,不管运放是作为 ADC的前级信号整理,还是作为 DAC 的后级输出,在原理图设计定型之前,化一定的时间来评估稳定性,还是很有必要。其实完成运放的稳定性设计也并不复杂,通常通过理论分析、仿真评估、测试验证这三个步骤就可完成。下面将通过一个实际设计案例,依次叙述这三个步骤的内容。
2 运放稳定性理论分析
2.1 运放电路稳定的条件
运放的增益可用波特图来表示,波特图就是增益与频率的关系。波特图上有零点、极点,零点和极点对运放电路增益的幅度和相位造成影响。
Ø极点的影响
设增益幅度在运放的带宽内为 A(dB),在极点 P1 处有 3dB 的衰减,并且自极点以后以 -20dB/10 倍频的斜率线性衰减。对于相频特性,在极点 P1 处有 -45°的相移,并且从极点频率的 1/10 到极点频率的 10 倍处,有 -45°/10 倍频的相移,最大会达到 -90°的相移。
Ø零点的影响
零点的影响与极点相反。设增益幅度在运放的带宽内为 A(dB),那么在零点 Z1 处有 3dB 的增加,并且自零点以后以 20dB/10 倍频的斜率线性增加。对于相频特性,在零点 Z1 处有 45°的相移,并且从零点频率的 1/10 到零点频率的 10 倍处,有 45°/10 倍频的相移,最大会达到 90°的相移。