运算放大器稳定性分析---容性负载

在电子设计中，运算放大器作为一种最常见的元器件被工程师们应用到各种信号调理电路中去。但是，当设计中没有足够的裕量支持运放去带负载的时候，放大器就会因为不稳定而极易发生振荡。

导致运放稳定性问题的最常见原因是输出端的电容，常见的电容负载的电路包括：电容、MOSFET、电缆线、高速光耦等，这些容性负载不能直观看到具体的容值，所以在设计中一定要检查运放输出端是否有连接到上述这几种容性负载。

本文将讨论为什么容性负载会导致稳定性问题，并且将会给出一种使用隔离电阻来进行补偿的解决方案。

润石精密运放RS8522

1、通过相位裕度的大小判断电路稳定性的方法

①相位裕度及增益裕度的概念

相位裕度：放大器开环增益与频率曲线中，180°的相位与开环增益下降至单位增益处的相位之差的绝对值。

增益裕度：放大器开环增益与频率曲线中，180°的相位处的增益与放大器开环增益下降至单位增益处的增益之差的绝对值。

②运放电路稳定性的判断 

表1 相位裕度及增益裕度对应阶跃响应的稳定性

稳定性可用表中的标准来判断。在设计放大器电路时，应确保45°以上的相位裕度，最好有60°以上的相位裕度。增益裕度要确保10dB以上。当相位裕度降低到30°以下，频率特性的图中就会出现凸峰，输出端很小的负载电容就会使电路陷入振荡。

2、运放输出端带容性负载的分析

图2-1 容性负载电路

图2-2 容性负载电路波特图

如上图1-1及图1-2的电路及对应的波特图所示，10nF容性负载条件下，在Aol曲线上会生成一个极点，同时观察在增益为0dB的频点f对应的相位裕度只有4度左右。对应表格，此时在电路的相位裕度为4度的时候，可得出运放的电路输出是很不稳定的。

由下图中的运放内部等效结构图及对应的波特图，可以看到运放输出端的Ro与输出负载电容Cout会形成新的极点，对应的频率点为 1/(2πRo*Cout)处，最终在该极点以后Aol对应频率曲线下降的斜率会变为-40dB/10倍频，这也是可以判断运放工作在不稳定状态的一个因素之一。

图2-3  运放内部结构及等效电路

3、负载电容的补偿方法

通过在运放的输出端和负载电容之间接电阻的方式，加入一个零点，去抵消由输出阻抗和容性负载产生的极点。新增零点的频率，要保证环路增益曲线下降为0dB时，斜率为-20dB/十倍频，或者对应相位裕度大于45度，如下图3-1和图3-2所示：

图3-1  补偿后的容性负载电路

图3-2 补偿后的容性负载电路波特图

使用输出端串接电阻的方式做零点补偿后的Aol曲线可以看到一个零点抵消了由 Ro和Cout组成的极点，从而使得Aol曲线的斜率回到-20dB/dec，并显著改进了相位裕量。此时，经过零点补偿后的运放工作在稳定状态。

新增零点的频率，要保证环路增益曲线下降为0dB时，斜率为-20dB/10倍频，或者对应相位裕度大于45度。因此要在负载 Aol 曲线等于20dB时对应的频率 Fzero 然后使用左边展示的公式R1=1/(2πFzero*Cout)计算出R1的值。 依据波特图中给出的Fzero对应的相位裕度在60度以上，此时电路是稳定的。

RS8551/2/4—低功耗高精度零漂轨对轨运算放大器

需要注意的是不同类型的运放其带容性负载的能力也大不相同，数据手册当中经常会给出测试运放带容性负载能力的测试电路，这一点需要我们与实际应用区分开来。并不是所有的运放的输出带电容能力都很强。

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