运算放大器稳定性

2006-07-07 11:57:52来源: 电子工程世界 关键字:功率  放大  阻抗  输出

在写保持容性负载稳定的六种方法部分时发生了一件有趣的事情。我们选择了具有“轨至轨”输出 CMOS 运算放大器并测量了 ROUT,但在高频区域没有环路增益,因而无法确定 RO。根据 RO 测量结果,我们预测了在 1μF 容性负载情况下放大器“Aol 图”中第二个极点的位置。令我们大吃一惊的是,Tina SPICE 仿真在“Aol 修正”曲线图进行 x5 处理时关闭了!基于先前的第一轮分析结果,这个错误完全超出了可以接受的限度,因而我们对放大器输出阻抗进行了仔细研究。本系列刊文的第部分,即本部分将针对两种最常用于小信号放大器的输出拓扑重点讨论放大器的开环输出阻抗。对于传统的双极性射极跟随器 () 而言,放大器输出级 ZO 性能良好,并且在整个放大器的单位增益带宽范围内主要呈现为阻性 (RO)。然而,对于许多 CMOS 轨至轨输出放大器而言,在该放大器的单位增益带宽范围内,ZO 同时呈现容性和阻性。本文并不针对输出的双极性技术最常用于功率运算放大器一种能够提供从至超过电流的、在线性区域工作的放大器具备丰富的输出阻抗知识非常重要将有助于正确预测修正图也是网络综合技术中用于稳定放大器电路的基本工具。双极性射极跟随器输出放大器的 了射极跟随器拓扑的典型双极性输出级。在此类型的输出级中,RO(小信号、开环输出电阻)通常是 ZO(小信号、开环输出阻抗)的主要组成部分。对于既定的 DC 电流负载,RO 一般为常数。我们先分析一些射极跟随器 RO 的经验法则,然后借助这些法则来预测不同DC 输出电流值对应的 RO。我们最后将用 Tina SPICE 仿真程序来检验预测值是否正确。

7.1:OPA542 的关键参数 —— 典型射极跟随器、双极性输出放大器

7.2 显示了典型射极跟随器、双极性输出放大器的参数。当输入偏置电流为 nA 级(如 10nA)时,采用这种拓扑的器件能够实现极低的噪声与偏移输入参数等优异特性。某些双极性放大器在输入级中采用 JFET 使输入偏置电流降低至很低的 pA 级。该常用模式的输入级范围一般是两个电源均为 2V 左右。输出电压摆幅通常被限制在任一电源轨电压的 2V 范围内或稍高,采用双电源(如 +/-5V +/-15V)的放大器通常可获得最佳性能。



7.2:示例参数射极跟随器、双极性输出放大器

高级射极跟随器、双极性放大器的简化模型采用两个电流增益级,跟随了一个晶体管电压输出器输出级所示。开环输出阻抗 ZO 主要由 RO 决定,对于该放大器的单位增益带宽而言是常数。 7.3:两级简化模型射极跟随器、双极性输出放大器

对于大多数放大器而言放大器输出端空载时输出级的类偏置电流约为整个放大器静态电流的。双极晶体管的 RO 1/gm 成正比,其中 gm 为晶体管的电流传输比 () 或电流增益。由于 gm 与集电极电流 IC 成正比,因而 RO IC 成反比。当 IC 从空载输出电流向满负载输出电流增加时,RO 将会降低。这可能会使人有这样的推测,即当输入电流高到一定极限时 RO 将为零。然而,由于晶体管的物理特性、内部驱动以及偏置排列 () 等原因,上述推测不成立。我们将测量最高可用负载电流下的 RO 值,并把它定义为 RX。然后测量空载电流下的 RO 值,并得出给定放大器电路的常数 KZ,该常数可用于预测任何负载电流下的 RO 变化情况。从 7.4 中,我们可清楚了解,如何用射极跟随器的输出项描述从前端 gm 级到放大器输出引脚之间的路径。定义射极跟随器、双极性输出放大器 7.5 详细描述了常数为 RX 的射极跟随器 ZO 模型测量环境为满负载电流、传输函数为 KZ / IC 的串联式电流控制电阻器。由于器件具有推(PNP 晶体管)和拉(NPN 晶体管)输出级,所以 ZO 模型包括每个输出级的等价 RO 模型。回馈至输出引脚的有效小信号 AC 输出阻抗等于推输出级与拉输出级阻抗的并联组合。对于 ZO 小信号 AC 模型而言,VCC VEE 两个电源均对 AC 短路。


7.5:ZO 模型射极跟随器、双极性输出放大器

并不是放大器的所有宏模型都相同。要研究输出阻抗的所有仿真,必须在使用真实器件正确建立输出模型的宏模型上完成,及需要相匹配的类偏置电路对真实器件进行精确建模。通常无法判断制造商提供的模型是否完备。在过去年中 德州仪器 ()产品部开发的高精度放大器创建了大部分模型。如上所示,这些放大器 SPICE 模型极致诠释了真实的硅芯片放大器,其中包含了详细的功能列表,如输出级的正确建模以及 AB 类偏置电路等。参见 7.6放大器模型都相等由于我们无法找到具有精确 A-B 类偏置及真实晶体管输出的双极性射极跟随器放大器宏模型,来进行真实环境下的准确性能分析所以我们自建了测评模型。在这里,我们可以看到一个由开环增益为 160dB (x100E6) 压控电压源实施的理想前端。输出晶体管 QP QM 位于简化的 A-B 类偏置电路中。我们将放大器的最大输出电流设为 27mA。因此,若需找出 RO 参数 RX我们就要采用 +27mA 负载电流进行测试。通过使用“输入电阻” RL 及“反馈”电感 LF,可以在 Tina SPICE 中轻松建立简单的 ZO 测试电路。如图 7.7 所示。我们可以将 DC 环境下的电感器视为短路,而 RL 上施加了电压 VDC,形成了如下所示的 DC 负载电流。凭借理想的 1T-Henry (1E12 Henry) 电感器,我们可以实现 DC 闭环路径,以使 SPICE 能够找到工作点 (operating point),但对于任何目标 AC 频率则为开路。现在,如果我们用 1A AC 电流源 Itest 激励电路则经过 dB 数学转换后 VOUT 成为 ZO。请注意,在这种重负载情况下,IOUT =+27mA,即 QM(实际处于“关闭”状态)和QP(处于“开启”状态)决定了输出阻抗。


7.7:ZO、重负载 IOUT = +27mA

了双极性射极跟随器输出放大器在当的测量结果。SPICE 初始结果将绘制在“线性 dB”区域。如果我们对 y 坐标轴取“对数”,则会直接产生 ZO 的欧姆值。y 坐标轴上的对数标尺对我们查看其他频率带宽不为常数(如 CMOS RRO)的 ZO 图很有帮助。 7.8:ZO AC 图、重负载 IOUT = +27Ma
7.9 显示了 IOUT = +27mA 时的大等效负载 ZO 模型。RX 的测量值为 6.39Ω。我们假定,使用的 QP QM 输出晶体管性能接近,并因此赋予这两个输出晶体管相同的 RX 值。如有需要,我们可以重新进行分析并测量 IOUT = -27mA 时的 RX 值。结果将会非常接近,以致可以忽略其中的差别。根据此模型,我们可以假定 RMim 为高阻抗,不会干扰 RO 的测量。此外,我们假定 RPip RX 小得多。



重负载模型 7.10 详细描述了 A-B 类偏置射极跟随器的无输出负载环境。我们将 A-B 类偏置电流 IAB 设为 1.08mA。对于无输出负载的情况,两个输出晶体管QP QM 均处于开启状态且对 ZO 产生的影响相同。

、空载 7.11 所示空载 ZO 的测量值为 14.8Ω。凭借这些信息以及 ZO 的重负载值(由 RX 推算),我们通过计算常数 KZ 可以完成对小信号 ZO 的建模。

图、空载 7.12 中,我们使用空载条件下的射极跟随器 ZO 模型。我们使用重负载条件下得到的结果并为 RX 填入相应值。现在,我们需要求出空载条件 ZO KZ 值,并假定两个输出晶体管 QP QM 的参数相近。详细的推导过程如上图所示,我们发现 KZ 值为 0.0250668

空载模型现在,让我们测试射极跟随器模型。我们将使用提供的约为大小的电流类偏置电流的两倍。这样就得关闭 QM,并迫使 QP RO 成为 ZO 的主要部分。从 7.13 可以看出这基本是正确的。这也恰当地解释了 A-B 类偏置方案在真实环境中是如何发挥作用的。我们了解到,当负载电流呈正增长时,所有 A-B 类偏置电流开始向正输出晶体管 QP。当负载电流变为负值时,全部 A-B 类偏置电流开始向 QM ,直至 QP 在负的重负载电流作用下完全关闭。、轻负载射极跟随器轻负载模型。使用已知的 RX KZ 值,我们可以计算出需要的等价 ZO 值,然后采用下图结果运行 Tina SPICE 仿真。我们计算得出轻负载下 ZO 值为 13.2326Ω,而 SPICE 的测量结果为 12.85Ω。两个结果非常相近,适用于各种相关分析。如果投入时间研究,我们会发现 QP QM 的参数不完全一样。轻负载模型 7.15 中显示了轻负载时 ZO Tina SPICE 仿真结果

7.15:ZO AC 图、轻负载 IOUT = +2.16mA

现在我们可以建立如所示的、完整的射极跟随器曲线图集。从 7.16 ZO RO决定,RO放大器的单位增益带宽而言是常数,其会随着负载电流的上升而下降。请注意,ZO 是根据源极和漏极电流在轻负载条件下以及重负载条件下源极或漏极 ZO 无显著差别的情况下得出的。在双极性射极跟随器放大器产品说明书中应包含了这些重要的 ZO 曲线。 7.16:完整的 ZO 曲线双极性射极跟随器

双极性射极跟随器输出放大器的及容性负载对于射极跟随器输出级的容性负载我们将采用中的模型。我们可以从产品说明书中查询参数,也可以通过测量放大器无容性负载下的 Aol 曲线获得参数。在放大器的空载 Aol 曲线上,RO CL 相互作用形成第二个极点 fp2双极性射极跟随器及容性负载我们将在射极跟随器双极性放大器上施加许多不同的容性负载并测出 RO CL 相互作用形成的极点 fp2 7.18 中的电路使用 LT 作为 DC 短路器来建立 DC 工作点。LT 对于任选的 AC 频率实现开路,因而我们可以观察到已修正的 Aol 曲线。CT DC 开路但对任何频率的目标 AC 短路,并且 CT 还起到将 AC 测试源 VG1 与电路连接的作用。通过检验我们发现 Aol = VOA / VM

用于测量修正曲线的电路显示了多种不同容性负载情况下的最终修正曲线。


不同值的修正曲线 7.20 详细描述了 RO CL 引起的 fp2 极点在修正 Aol 曲线中的预测位置。图中还显示了对应于每个 fp2 的实际的 Tina SPICE 测量位置。由于采用了稳定的综合技术,Tina SPICE 测量的 fp2实际值与我们的预测值并无显著差异。

不同位置预测值及实际值双极性射极跟随器输出放大器的总结 7.21 总了双极性射极跟随器放大器 ZO 的关键参数。在放大器的单位增益带宽范围内,ZO RO 决定,且相对频率而言为常数。当 DC 输出负载电流增加时,RO 降低并与 IOUT 成反比。容性负载、CL RO 相互作用以在原先的放大器 Aol 曲线上形成第二个极点 fp2。我们可以使用修正 Aol 曲线,来综合考虑适当的闭环补偿值以获得更好的稳定性。RO 随过程与温度的变化而相应发生变化。对应于过程及温度变化的经验法则是 0.65* ROtyp (-55C) 1.5* ROtyp (125C),其中 ROtyp 25C 时的 RO 典型值。我们业已开发的经验法则不总是适用于双极性射极跟随器放大器的开环输出阻抗。可从放大器制造商处获得最完整和最精确的 ZO 数据,经测量也能获得。

双极性射极跟随器的总结轨至轨输出放大器的显示了典型的放大器拓扑。此类输出级中小信号、开环输出电阻通常是小信号、开环输出阻抗的主要组成部分。RO 与大多数 DC 负载电流成反比。然而在轻负载电流情况下,RO DC 负载电流成正比。在中低频区域,ZO 通常呈现为容性。由于 RL(输出端的阻性负载)与 ZO 容性部分相互作用,因而放大器 Aol 曲线在低频区域将受到影响。典型的放大器放大器为例列出了相关参数。也是一种轨至轨输入放大器。CMOS RRIO(轨至轨输入/输出)拓扑理想适用于具有以下特性的单电源应用:输入和输出轨上的摆幅很小、极低的静态电流以及极低的输入偏置电流。其噪声通常比双极性射极跟随器放大器要高得多。

7.23:示例参数CMOS RRIO 放大器

是我们针对典型放大器绘制的简化模型,该放大器使用可控制电流源电压输出差分前端。GM2 驱动 RO,从而产生可控制输出电流源 GMO 的电压。电容 CO 反馈至 ROGM2 结点。从这个简化模型可以看出,在高频段 ZO = RO。当频率从高频向中、低频变化时,我们将看到 CO 产生的作用,ZO 也因此呈现容性。简化模型放大器如图 7.25所示对于大多数 CMOS RRO 放大器而言放大器输出端无负载时输出级的 AB 类偏置电流约为整个放大器静态电流的 ?。在高频段 ZO = RORO gmMOSFET 的电流转换率)成正比。但是 MOSFET gm ID(漏极电流)的平方根成反比。

定义放大器 7.26 详细描述了 CMOS RRO RO 模型,其由半推 (QP) (QM) 输出 MOSFET 的电流控制电阻器组成。每个电流控制电阻器 RPip RMim 与相应 MOSFET 的漏极电流的平方根成正比。当回馈至放大器的输出端时,两个电流控制电阻器并联,相应的值为 RO。这些电阻器的并联方程可以建立一个数学方程,通过该方程意外地得出了一个传输函数。当 IOUT 小幅增大时,RO 将持续增大直至其中一个输出 MOSFET 完全关闭并且退出 A-B 类模式。

7.26:RO 模型:CMOS RRO 放大器

中的计算示例显示出小幅变化值之间的特有关系。在A-B 类偏置模式下,流过两个器件的 QP QM 的电流均为 22uA时,RO 等于 200ΩIm 增大表示 IOUT 流入放大器输出端的电流也在增大,QP 接收的电流逐渐减小直至当 Im = 44μA 时完全关闭。此时,RO 为最大值 (RO Max = 282.25Ω )IOUT 电流增大则 RO 将会减小。增大减小参数实例我们已经选择了 OPA348CMOS RRIO 放大器来研究 CMOS RRO ZO。该器件具有非常精确的 SPICE 宏模型 ZO 参数通过了实验室测评。通过 Tina SPICE 能方便地查看 ZO 参数。在第一个 ZO 测量中我们将使用最大负载电流 10mA。请注意:图 7.28 所示的测试电路中,电流计 IOUT 的作用是确保将 IOUT DC 值精确控制在 10mA。简单地将 V1 除以 RL 不能完全解决放大器输入补偿电压的参数问题,这可能会导致意外误差。

7.28:ZO、重负载、IOUT = +10mA
IOUT 等于 10mA 时的 ZO AC 图中包含一个 34.79Ω 的高频 RO 元件。ZO 在低于 10kHz 的频段明显呈现容性。我们推测 RO 的输出电流最低,原因是 QM 完全关闭且所有的输出级电流都流过 QP

图、重负载 7.30中的重负载 RO 模型说明RO 的输出电流最低原因是 QM 完全关闭且所有的输出级电流都流过 QP

重负载模型我们将使用图 7.31中的电路计算空载 ZO 曲线。根据 IQ IAB 关系的经验法则,OPA348 IQ=45μA,所以 IAB=22.5μA483.65fA 的误差电流对空载 ZO 曲线不会有显著的影响。

、无负载如图所示等于时的包含一个Ω的高频元件。ZO 在低于 3kHz 的频段明显呈现容性。图、无负载中的空载模型表明中的输出具有相同的影响。图中同时假定 A-B 类偏置电流为 22.5μA
无负载模型我们现在知道了重负载和空载时的 ZO 意味着什么。我们关心的另一个关键曲线是 RO 变成最大值时的轻负载。我们并不十分清楚该工作点的位置,原因是我们不能看到 OPA348 A-B 类偏置级的内部,但在计算 AC 传输曲线之前,我们需要知道该点的位置。使用图 7.34 中的技术和电路将能够很快达到目的。如果我们继续运行如图所示的 AC 分析/计算 AC 结点电压分析,就可以变换 V1 值并迅速更新 VOAVOA 的读数为均方根。我们将 IG1 设定为 1AAC 生成器、f=1MHz(这正好处于 RO 主导 ZO 的频率范围之内。一旦找到能够产生最大 VOA V1 值,就可以用其计算 AC 传输曲线。请注意:VOA 的读数为均方根,其中包含 VOA 的所有 DC 分量。另请注意:关于电流电平,在 7.35μVrms 区域中的DC 值将会下降,与 VOA 254.56Vrms 区域的没有显著区别。轻负载下 RO AC 幅度值为 254.56Vrms / .707Arms = 360ΩAC 正弦波 Arms = 0.707Ap)。

轻负载寻求最大 7.35 ZO 轻负载测试电路。

轻负载传输函数分析结果。图中显示了我们预测到的 360Ω ROZO 在低于大约 3kHz 处呈现容性。图、轻负载轻负载模型如图 7.37 所示 QP 处于开启状态而 QM 处于关闭状态QP 因其阻抗最低所以将决定 RO 的值。因为仅需 7.35μA 的负载电流即可关闭 QM,所以最初假定的 A-B 类偏置电流为 22.5μA 可能不正确。IAB 的大小可能比 7.35μA 大不了多少。

轻负载模型的完整曲线集。我们所关心的关键曲线包括:Ω最大Ω空载Ω约等于空载。导致空载Ω图示的其他曲线仅供验证处于关键曲线之间的工作状态。另外 ZO 曲线可用于判断负电流值的 IOUT。但是在电流曲线的正值区域,这些曲线间距过密,无法将其置于 IOUT 的顶部,故将其省略以保证图表清晰。所有 CMOS RRO 放大器产品说明书应包含这些关键的 ZO 曲线。

完整的曲线要建立 RRO CMOS 放大器的等价 ZO 模型我们需要分析 ZO 曲线上的断点 fz。图 7.39 显示了这些断点在重负载和空载下的测量值。根据频率和 RO 值可以确定 CO 值。

曲线上的断点使用 ZO 图可以完成空载和重负载 (10mA)如图 7.40 所示 给定IOUT 负载 ZO 模型。

完整模型计算放大器的及容性负载如果通过初始放大器建立修正曲线在驱动容性负载时负载电容器将与模型电容器串联注意串联电容值的计算方式与并联电阻值的计算类似。因此,若 CL < CO,则 CL 起决定作用;若 CL > CO CO 起决定作用。修正曲线的第二个极点的等价电容直接相关显示了这些关键点。修正的计算 7.42 是用来修正 CMOS RRO 放大器容性负载的 Aol 曲线的测试电路LT 使 AC 环路开路,而 LT DC 工作点计算中却提供了短路作用。CT DC 开路,而对任何设定频率的 AC 短路。修正 Aol 曲线即 VOA / VM

修正测试电路 7.43 CL 从空载至 10,000nF 的真实修正 Aol 曲线。fp2 相应位置的测量值如图中标注所示。

修正曲线 7.44 fp2 测量值与 ZO 模型预测值进行了对比。结果表明,我们可以自信地使用 ZO 模型来预测真实的修正 Aol 图。请注意 1nF 负载预测误差较大,原因是我们没有考虑 OPA348 Aol 第二个高频极点 (2.87MHz)的效应。因为CL 2.87MHz 相差太大,另一个fp2 位置可以确定,所以 OPA348 Aol 的第二个极点对预测没有影响。

修正预测值与真实值的比较放大器的低频效应正当我们认为完成了 CMOS RRO 放大器 的相关工作时……CMOS RRO 放大器也出现了另一种低频 Aol 现象。CO RL 的相互作用产生了高通滤波效应,使 Aol 曲线的低频部分趋于平坦(如图 7.45 所示)。

低频效应 7.46 分析 RL CMOS RRO Aol 曲线影响的测试电路。很容易通过调整RL大小来观察 Aol 上的效应。

测试电路的低频效应 7.47 清楚显示了空载、100kΩ 以及 5kΩ等阻性负载的低频 Aol 效应。

低频部分的效应中的测试电路使我们可以看清曲线的低频区域的效应。Vaol 代表空载、未修正的 Aol 曲线。VHP CO RL 产生的高通滤波效应。VOA 是未修正的 Aol 曲线通过由 CO RL 形成的高通滤波器时产生的修正 Aol 曲线。测评效应的等效电路 7.49 RL=5kΩ 时的 综合AC 曲线显示了未修正的 Aol 曲线 VaolCO RL的高通滤波器效应和网络传递函数,以及Vaol 通过 VHP 产生的修正 Aol 曲线 VOA。由于 Bode 图上的加法等价于线性乘法,所以我们只需将 Vaol VHP 相加即可得到 VOA 曲线。

测评效应的等效电路图放大器的总结 7.50 总结了 CMOS RRO 放大器 ZO 的关键参数。在高频段,ZO RO 决定。对大多数负载而言,当 DC 输出负载电流增加时,RO 降低并与 IOUT 成反比。然而,在低IOUT 时,RO IOUT 成正比。在中低频区域,ZO 是容性 CO。如果容性负载 CL 连接到 CMOS RRO 输出上,则 RO CO 将与 CL 相互作用并产生比原有的 Aol 曲线多一个极点 fp2 的修正 Aol 曲线。Aol 曲线的低频部分受到阻性负载 RL 的影响,RL CO 相互作用形成高通滤波效应,使中低频区域的 Aol 曲线趋于平坦。RO 随过程和温度而变化。有关过程及温度变化的经验法则是 0.5× ROtyp (-55C) 2× ROtyp (125C)其中 ROtyp 25C 时的 RO 典型值。我们研究得出的经验法则不总是适用于 CMOS RRO 放大器的开环输出阻抗。最完整和精确的 ZO 数据应该从放大器厂商处或经过测量获得。

总结鸣谢提供有关技术指导的下列个人产品部高级模拟设计工程师高级模拟设计工程师高级模拟设计经理Analog & RF Models 公司技术顾问参考文献《模拟集成电路的分析与设计》作者年纽约出版社《电子电路》作者年纽约出版社作者简介从亚利桑那大学毕业获得电子工程学士 (BSEE) 学位后Tim Green 24 年来作为工程师一直致力于模拟及混合信号电路板系统级设计工程方面的研究工作,涉及的范围包括无刷马达控制、喷气式飞机引擎控制、导弹系统、功率放大器、数据采集系统以及 CCD 摄影技术等。Tim 近期的工作包括模拟及混合信号半导体产品的战略营销。Tim 目前担任 TI 位于亚利桑那州图森市 Burr-Brown 产品部的线性应用工程经理。








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