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最大限度降低寄生电容对放大器稳定性影响的三种方案

电子设计

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描述

由于高增益峰值及其他各种原因,电流反馈(CFB)放大器可能变的不稳定,极端情况甚至进入振荡状态。 放大器不稳定的原因有两个,反馈电阻值过低以及引入对地的寄生输入、输出电容。小电容会导致放大器的频率响应在高频时达到峰值,同时高电容值会迫使器件进入自持振荡,忽略任何输入信号的激励。

本文将介绍如何确保放大器稳定性的设计技巧,包括须知与禁忌,无需深入研究基本数学原理即可设计出稳定的放大器电路。

最大限度降低寄生电容对放大器稳定性影响的方法主要有三种:

良好的布线技术,以最大限度减少寄生电路板和探头电容。

使用CFB放大器厂商规定的反馈和增益电阻值,保证提供足够的相位裕度以承受较小的寄生电容。

利用补偿技术,最大限度降低频率响应峰值和脉冲响应过冲。

电路板布线技巧

优化电路性能,使CFB放大器效果达到最佳,需特别注意:电路板布线寄生、外部元件类型和电阻值。以下建议有助于优化电路性能(参考图1和图2):

使用去耦电容对电源引脚进行低频和高频缓冲。对于高频,并联使用100nF和100pF电容,并将它们安置在距离电源引脚不到6mm的位置。对于低频,使用6.8μF钽电容,可距离放大器更远,并允许在其它设备间共享。避免使用窄电源和接地走线,尽量减少走线电感,特别是电源引脚和去耦电容间的走线电感。

由于放大器的输出和反相输入引脚对寄生电容最敏感,因此将输出电阻RS(如需要)靠近输出引脚处,反馈和增益电阻(RF和RG)靠近反相输入,将各自引脚与所有走线电容隔离。

在非反相输入处增加RIN和CIN占位符,以补偿由反相输入端的寄生电容(CPI)引起的增益峰值。

确定是否需要输出隔离电阻。低寄生电容负载(<5pF)通常不需要RS。此外,更高的寄生输出电容可在没有RS的情况下驱动,但需要更高的闭环增益设置。

保持输入和输出引脚周围无接地层和无电源层的区域,尽量减轻交流接地相关电容的积聚。在电路板的其它地方,接地层和电源层应保持完好。

通过100Ω电阻将每个测试点连接到要测量的走线,并隔离探针电容示波器与信号走线。

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图1:具备寄生电容和补偿元件RS、RIN及CIN 的CFB放大器。

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图2:无接地窗口的双层PCB推荐布线。

使用既定RF值

CFB放大器厂商通常指定多个RF值,每个RF值对应不同的增益设置。使用推荐的电阻值可确保最佳性能,而不会带来(或造成很小幅度的)峰值增益或带宽损失;偏离这些值则会改变放大器性能。图3中显示了在信号增益为2时使用不同RF值的情况,可见,当指定值RF=1.1kΩ时达到最佳性能。但当RF提高至1.5kΩ时,出现带宽损失,而当RF降低到600Ω时,会产生增益峰值(图4)。

因此,要获得最佳性能,请遵循厂商建议的RF值。

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图3:使用数据表中指定的RF值可确保最佳性能。

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图4:偏离指定的RF值会导致增益达到峰值或降低带宽。

补偿寄生电容的影响

为区分输入端(CPI)和输出端(CPO)的寄生电容,可进行脉冲响应测试。CPI通常小于CPO,并会导致短暂信号过冲;而CPO通常会造成信号振铃现象延长(图5)。当然,若CPI > CPO,情况则会反转;然而这种情况很少发生。

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图5:CPI引起的信号过冲与CPO导致的信号振铃现象。

寄生输入电容CPI

反相输入端(CPI)的寄生电容通常较小(0.5至5pF),由布线杂散电容和表面贴装电阻RG的固有分流电容组成。CPI、RF、RG共同在放大器反馈路径中形成低通特性,在放大器传递函数VO/VI中转换为高通特性。

这种高通特性可在非反相放大器输入端用R-C低通滤波器进行补偿。为此,非反相输入端的输入电容须与反相输入端的寄生电容相匹配(CIN = CPI),且RIN值必须等于反馈和增益电阻的并联值(RIN = RF||RG)。

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图6:通过RIN-CIN消除增益峰值。                              

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图7:通过RIN-CIN减少过冲。

图6和图7显示了图1中电路的频率和脉冲响应。当放大器以G=2运行时,其中RF = RG为厂商规定的最佳性能电阻值。图6和图7中的其它观察结果包括:

当CPI = 0时,黑色曲线所示的频率和脉冲响应既未出现增益峰值也未出现过冲。对于10MHz的±100mV测试输入,标称增益为6dB,脉冲幅度为±200mV。

当CPI = 5pF时,红色曲线所示的频率和脉冲响应显示增益峰值接近21dB,过冲为±1V。

在补偿情况下(蓝色曲线),当CIN = CPI = 5pF ,且RIN = RF||RG = RF/2时,频率和脉冲响应分别显示增益峰值和过冲降低至0.5dB和±45mV。

寄生输出电容CPO

放大器输出端(CPO)寄生电容还包含布线杂散电容,但大部分通常来自较大的负载电容,例如瞬态抑制器和电流导引二极管的结电容、电缆电容,模数转换器及其它放大器的输入电容。因此,CPO的总值可低至20pF,也可能达到几个100pF。

综上所述,通常较小的寄生输出电容对传递函数几乎没有影响,但较大的CPO值会导致高增益峰值,并且脉冲响应会延长振铃。图8和图9显示了输出电容为20pF的影响,其增益峰值小于1dB,且仅出现低于30mV的小过冲。若需要补偿CPO,则稍微提高RF、RG值即可。

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图8:利用较高RF值补偿较小CPO值。

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图9:补偿结果显示几乎无法区分的脉冲响应。

与此相反,补偿较大的输出电容十分必要。图10和图11显示了在未进行补偿的情况下,传递函数达到约15dB的增益峰值,且CPO为500pF时(红色曲线)脉冲响应中的长时间信号振铃。即使提高RF、RG电阻值,改善效果也十分有限(蓝色曲线)。不过,安置串联电阻(RS)可将放大器输出与容性负载隔离(参见图1电路)。在此模拟中,需要一个仅为3.9Ω的小RS值将增益峰降至0.5dB以下,同时将信号过冲从±400mV降低到±50mV。

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图10:高CPO值需要额外的隔离电阻RS。          

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图11:通过RS补偿显著改善脉冲响应。

结论

本文中重点探讨的设计以确保放大器的稳定性,总结如下:

应用良好的布线技术将寄生电容降至最低

使用6.8μF、100nF和100pF电容器为电源电压提供低频和高频缓冲

在测试点和待测量走线间插入100Ω电阻,隔离探针电容与信号走线

使用数据表中指定的电阻值

进行初始脉冲响应测试,以区分寄生输入和输出电容

通过R-C低通滤波器补偿非反相信号输入端的寄生输入电容

提高RF和RG值,补偿较小寄生输出电容

插入低值隔离电阻RS,补偿较大的寄生输出电容

参考资料

1. AN1306,如何规避轨到轨CMOS放大器的不稳定性,2007年9月

2. AN9663,从电压反馈转换为电流反馈放大器,2006年3月

3. AN9420,电流反馈放大器理论与应用,1995年4月

4. AN9787,一种了解电流反馈放大器的直观方法,2004年10月

5. AN1106,实际电流反馈放大器设计参考,1998年3月

关于作者

Tom Kugelstadt是瑞萨电子(美国)公司首席应用工程师,为工业系统定义了新的高性能模拟产品。他拥有法兰克福应用科学大学硕士学位,在模拟电路设计领域具备超过35年经验。
编辑:hfy

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