运放电路单反馈Riso 稳定性补偿方法

        导致运放稳定性问题的，最常见原因是输出端的电容。一些经常有大电容负载的电路包括有，参考电压缓冲电路，线路/屏蔽层驱动电路，以及MOSFET驱动电路。在 MOSFET驱动电路和线路/屏蔽层驱动电路上，容性负载不能马上能看到，所以一定要检查运放输出端是否有连接任何寄生电容。

        我们已经知道如何生成一个运放电路的开环曲线。现在可以仿真容性负载的影响，从而确定问题，如结果所示10nF的容性负载，在Aol曲线上生成一个极点，使在 fc 频率处的 Aol*β 曲线的相位降低到只有4度，让我们检查一下这里的原因。

        如果我们检查这个开环电路的简化图，可以看到输入信号通过，开环增益模块Aol gain block ，然后进入串联的开环输出阻抗Ro，最后到达运放输出Vo，由于在运放输出端与地之间的电容Cload， 运放的 Aol 曲线上就会有Ro和Cload组成的RC分压器负载。

        为了理解输出负载的效果，这里画出Ro和Cload的等效电路的AC传递函数，极点位置可以通过传递函数计算，并在图片的下方给出。

        如果将原始运放的Aol曲线以及Aol负载曲线叠加起来，结果就得到底部所示的负载Aol曲线， 可以看到由Ro和Cload相互作用产生的Aol极点，导致Aol曲线变成-40dB/dec的斜率并减少了单位增益相位裕量。

        在理解了容性负载，如何导致电路不稳定之后，我们开始介绍第一种补偿技术叫做Riso方法。Riso 方法通过加入一个零点，去抵消由输出阻抗和容性负载产生的极点，从而补偿电路。

        看一下使用Riso补偿方法后的开环曲线，可以看到一个零点抵消了由 Riso和Cload组成的极点 ，这使得Aol的斜率回到20dB/dec并显著改进了相位裕量。

        我们可以使用检查带容性负载的电路的方法，来检查开环Riso电路， 同样地这里的Aol是带着阻抗分压器负载的曲线，但这次Riso和Cload都在分压器的下端，只有Ro在分压器的上端。

        我们可以将Aol 负载，类比为典型的电阻分压器。记住分压器的传递函数，等于下端的阻抗除以上下端的阻抗之和。同样的原理应用到Ro，Riso和Cload上。如右图所示，Ro组成Z1上端的阻抗，同时Riso和Cload的串联组成Z2，下端的阻抗，传递函数可以简化成，右下角所示的表达式。分子上有一个仅依赖于Riso和Cload的零点，均为外部器件，同时分母上有一个依赖于Ro，Riso和Cload的极点。

        这里展示了这个拉普拉斯Laplace传递函数计算结果，注意到在分子和分母中都有一个s项，可清楚地知道在传递函数中有一个零点和一个极点，极点和零点频率的计算公式，可以从传递函数中得到。画出AC传递函数，您可以看到由零点产生的正相移，抵消了由极点产生的负相移，使净相移为0 度。

        如前面一样， 将Aol 曲线和Aol负载曲线加在一起，我们可以再一次看到由Riso加入的零点，抵消了 Aol曲线上的极点，并且恢复了单位增益相位裕量到可接受的一个稳定范围。

        为了设计使相位裕量大于60度的Riso电路，首先要找到负载Aol曲线等于20dB时对应的频率 fzero，然后使用左边展示的公式以及Cload和fzero的值来计算Riso 的值。在此例子中Riso的值为108ohm，根据运放单位增益相位裕量以及Aol极点的位置，相位裕量会介于在60度和90度之间。

        综上所述，找到负载Aol曲线等于20dB时的频率，并通过计算合适的Riso值，把零点设置到这个频率上。虽然我们这里不会对背后的原理多做介绍，但是大家可以记住，如果零点频率比极点高大约1.5个十倍频 ，Riso值应该增加以阻止环路中Aol*β的相位下降太多。如果Riso至少等于Ro/34 ，那么零点就会在极点的1.5 个十倍频范围内，如果电路不要求提供大电流输出，那么考虑增加Riso 到等于或大于Ro ，电路基本上会在所有容性负载下稳定。

        对比有和没有Riso的电路的瞬态响应，我们可以看到使用Riso的明显改善，没有Riso电路的输出会有严重的过冲和振铃。

        虽然Riso电路易于实施和设计，它在精密电路里有一个不足之处， Riso上的压降依赖于输出电流和输出负载，并且与所需信号相比可能十分显著，如这里给出的由于250Ω的输出负载，一个10mV的信号会有超过3mV， 也就是30%的误差。

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原文标题：运放电路单反馈Riso 稳定性补偿方法

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