真实放大器内部存在开环输出阻抗,它会在滤波器、容性负载驱动等应用电路中,影响电路性能或者稳定性。数据手册中多提供闭环输出阻抗,本篇将结合仿真,分析开环输出阻抗的求解方式。

 

1 开环输出阻抗与闭环输出电阻区别

放大器的输出阻抗包括开环输出阻抗 Zo 与闭环输出阻抗 Zout。开环输出阻抗是串联在放大器内部第二级(放大级)之后与放大器的输出引脚之间的阻抗,如图 2.153。

 

图 2.153 放大器输出阻抗直流特征示意图

 

当放大器的输出连接负载电容,反馈电容、或者输出杂散电容过大时,开环输出阻抗与这些电容共同作用会导致信号失真,甚至影响放大器的稳定性。由于放大器开环增益很大,导致开环输出阻抗的测量不容易实现。所以,引入闭环输出阻抗的概念。它定义为放大器在指定闭环增益、指定频率时,输出电压 Vout 与输出电流 Iout 的比值。

 

如图 1.154,在 1MHz 频率处,闭环增益为+1 倍时,ADA4625 闭环输出阻抗为 2Ω。闭环增益为+10 倍时,ADA4625 的闭环输出阻抗为 18Ω。闭环增益为+100 倍时,ADA4625 的闭环输出阻抗为 29Ω。

 

图 2.154 ADA4625 闭环输出阻抗

 

2 开环输出阻抗计算与仿真

如图 2.153 电路中反馈系数,如式 2-86。

 

 

放大器内部第二级输出电压,如式 2-87。

 

 

输入信号,如式 2-88。

 

 

包含开环输出阻抗参数的输出电压,如式 2-89。

 

 

根据定义闭环输出阻抗函数,如式 2-90。

 

 

将式 2-86 至式 2-89 代入式 2-90,得到开环输出阻抗与闭环输出阻抗关系如式 2-91。

 

 

整理得到开环输出阻抗,如式 2-92。

 

 

可见,开环输出阻抗为闭环输出阻抗的 1+Avoβ倍。

 

使用 ADA4625-1 实现电路,闭环增益为 1,在 1MHz 时闭环输出阻抗为 2Ω。如图 2.155 为 ADA4625 数据手册开环增益与频率曲线,1MHz 处开环增益大约为 23dB(14.12 倍),代入式 2-92 计算开环输出阻抗为:

 

图 2.155 ADA4625-1 开环增益与频率曲线

 

这种计算输出阻抗的误差主要在 1MHz 处对,开环增益的估计读数误差。它容易受到对数坐标系、曲线粗细等因素的影响。所以,使用 LTspice 仿真进一步验证开环输出阻抗的计算结果。如图 2.156,将 ADA4625 配置为开环增益与环路增益仿真的单位增益电路,其中开环增益(Avo)为 Vout/Vin,闭环增益(1/β)为 Vout/Vfb,环路增益(Avoβ)为 Vfb/Vin。

 

图 2.156 ADA4525-1 环路增益仿真电路

 

AC 分析结果如图 2.157,1MHz 处环路增益(Avoβ)为 22.37dB(13.13 0 711 倍),代入式 2-92 计算闭环输出阻抗约为 28.27Ω,仿真计算值与读数计算值近似。

 

图 2.157 ADA4625-1 环路增益 AC 分析结果

 

放大器输出阻抗在其应用电路中需要具体评估,例如在放大器驱动容性负载的电路中,输出阻抗和容性负载构成的极点容易造成电路不稳定,以及在有源滤波器电路中,放大器的输出阻抗与滤波器配置参数共同作用可能影响滤波器的使用效果。