最大限度降低寄生电容对放大器稳定性影响的三种方案

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。

图1：具备寄生电容和补偿元件RS、RIN及CIN 的CFB放大器。

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。

图3：使用数据表中指定的RF值可确保最佳性能。

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。

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）。

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

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。

图8：利用较高RF值补偿较小CPO值。

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。

图10：高CPO值需要额外的隔离电阻RS。          

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