放大器驱动容性负载,是比较容易引发稳定性问题的电路。本篇将结合仿真讨论放大器自身的容性负载能力,以及针对容性负载驱动能力不足的情况,提供一种依据放大器开环输出阻抗参数补偿容性负载驱动能力,保证电路稳定工作的方法。

 

1 、容性负载驱动参数定义

先看一个案例,如图 2.110 是一款常见基准源缓冲驱动电路。笔者曾接触到一位工程师使用直流参数极好的 ADA4522-2 作为 ADC 基准源的缓冲器,输出通过电容 C1(10μf)、C2(0.1μf),连接到一款 24bit ∑∆型 ADC 的基准源引脚。工程师反馈基准源的输出非常稳定,但是在 ADA4522 输出存在振荡。

 

图 2.110 ADA4522 基准源缓冲电路

 

使用电路仿真,瞬态分析结果如图 2.111,输出振荡范围在 2.486~2.514V,这对于精密采集电路无疑是致命的问题。

 

图 2.111 ADA4522 基准源缓冲电路瞬态分析结果

 

笔者建议工程师使用具有容性负载驱动能力的放大器 ADA4807 进行替换,如果将图 2.110 基准源驱动电路中,ADA4522 替换为 ADA4807,电路如图 2.158。

 

图 2.158 ADA4807 基准源缓冲电路

 

进行瞬态分析的结果如图 2.159,在 ADA4807 输出直接驱动 10μf 与 0.1uf 电容时,电路输出 2.5V 十分稳定。

 

图 2.159 ADA4807 基准源缓冲电路瞬态分析结果

 

导致这种现象的原因是 ADA4807 相比 ADA4522 具有一定的容性负载驱动能力。容性负载驱动能力(Capacitive Load Drive)是指放大器输出驱动容性负载时,对输出信号过冲的抑制能力,通常以百分比表示。

 

如图 2.160,表示 ADA4807 在增益为 1 倍的电路中,输出驱动 15pf 电容,当输出信号峰峰值为 20mV 时,输出过冲的在 17%以内。

 

图 2.160 ADA4807 输出特性

 

通过图 2.161 可以更好的理解这一过程,负载电容为 15pf,输出信号从 -10mV 到+10mV 的阶跃变化,过充电压大约为 3.5mV。

 

图 2.161 ADA4807 不同容性负载下的小信号瞬态响应

 

2 、容性负载对稳定性的影响

放大器输出驱动容性负载时,开环输出电阻 Ro 与负载电容 Cload 组成一阶 RC 电路。如图 2.262,新增极点 fp,频率为式 2-93。

 

 

其中,开环输出电阻 Ro,近似等于开环输出阻抗。

 

新增极点 fp 处相位延迟 45°,高于 10 倍 fp 频率的相位延迟 90°。参考《放大器相位裕度与电路稳定性判断方法》,在环路增益为 0dB 时,使用放大器的相位裕度判断电路是否稳定,即是否能直接驱动该容性负载。

 

图 2.162 放大器开环输出阻抗驱动电容负载电路图

 

如图 2.163(a),以 ADA4625-1 为例的环路增益仿真电路,根据上一篇《放大器输出阻抗的参数计算与仿真》可知 ADA4625-1 开环输出电阻 Ro 约为 28.96Ω,当电路输出直接驱动 1uf 容性负载时,由式 2-93 计算新增极点频率约为 5.495KHz。另外,使用 ADA4625 输出驱动纯电阻电路进行对比,如图 2.163(b)。

 

图 2.163 ADA4625 驱动容性负载与阻性负载电路

 

AC 分析结果如图 2.164,ADA4625 驱动纯阻性负载电路的环路增益为 V(fb1)/V(in1)曲线,在 30.1KHz 处,V(fb1)/V(in1)曲线为 53.118dB;在 301.74KHz 处,V(fb1)/V(in1)曲线为 32.904dB,频率增益十倍增益衰减接近 20dB。V(fb1)/V(in1)曲线波特图为 0dB 时对应的相位裕度为 69.462°,判定电路输出稳定。

 

图 2.164 ADA4625 驱动容性负载与阻性负载的环路增益波特图 AC 分析结果

 

ADA4625 驱动容性负载电路的环路增益为 V(fb)/V(in)曲线,与 V(fb1)/V(in1)曲线的幅频特性在低频范围内重合。在 6.9KHz 处 V(fb1)/V(in1)曲线与 V(fb)/V(in)曲线的增益相差 3dB,另外在 6.9KHz 前后 20 倍频率内 V(fb)/V(in)曲线相位延迟 90°,即 ADA4625-1 的 Ro 与 Cload 组成的极点频率为 6.9KHz。在 30.1KHz 处,V(fb)/V(in)曲线的增益为 39.785dB。在 301.74KHz 处,V(fb)/V(in)曲线的增益为 0dB,频率增加十倍增益衰减接近 40dB。V(fb)/V(in)曲线在波特图 0dB 处,对应相位裕度为 1.075°,判断电路不稳定。

 

3 、容性负载驱动补偿方法与仿真

补偿放大器容性负载驱动能力不足的方法是增加零点 fz 补偿极点产生相位延迟。如图 2.165(a),在放大器的输出端 Vout 与容性负载 Cload 之间串联隔离电阻 Riso,电路的输出传输网络简化为 2.165(b),传递函数为式 2-94。

 

 

由式 2-94 可见,使用隔离电阻 Riso 之后,极点频率调整为式 2-95。

 

 

新增零点频率为式 2-96。

 

 

为保证补偿电路驱动容性负载时,放大器稳定工作,即 Avoβ为 0dB 时,相位裕度大于 45°,零点频率至少设置在 Avoβ为 20dB 处,因此隔离电阻最小值 Riso_MIN 为式 2-97。

 

 

如图 2.167,环路增益曲线为 20dB 时,频率为 94.69KHz。代入式 2-97 计算隔离电阻为:

 

图 2.165 容性负载驱动补偿电路分析

 

将图 2.163(a)作为比对电路,应用在图 2.166(a)。将所计算的 Riso 阻值,应用于容性负驱动补偿电路,如图 2.166(b)。

 

图 2.166 ADA4625 容性负载驱动补偿电路

 

AC 分析结果如图 2.167,使用 Riso 补偿电路的环路增益 V(fb1)/V(in1) 曲线的增益为 0dB 时,对应的相位裕度为 83.69°。判断所使用的补偿方法有效,放大器输出稳定。

 

图 2.167 ADA4625 容性负驱动补偿电路波特图 AC 分析结果

 

综上,在一些精密放大器的规格书中,可能没有提供容性负载驱动参数,所以工程师容性负载驱动的电路中认真评估所使用放大器的驱动能力。针对驱动能力不足的放大器,需要结合放大器的开环输出阻抗设计隔离电阻,将新增零点的频率至少设置在原电路环路增益为 20dB 处进行补偿,保证电路稳定工作。