讨论电容对运放稳定性的影响

今天我们来学习电容对运放稳定性的影响，这是最后一部分内容，之后还有两次总结和回顾就结束了运放提高课的全部内容，感觉还有点意犹未尽。下面我们先来看一下输出电容对稳定性影响，上节课提到，当运放接成跟随器的形式的时候，其相应的相角裕度将会比较小，稳定性比较差，如果输出端再接一个100pF或50pF的电容将会使运放的稳定性变差，由于运放内部是由三级构成，输入级、放大级和驱动级，这里每一级的输出都会经电阻和电容的并联接地，根据第二十集的内容我们知道，电阻和电容的并联会产生一个极点，所以输入级、放大级和驱动级的电阻和电容都会引入一个极点，其中放大级极点为低频极点，输入级极点为高频极点，驱动级极点介于两者之间，而运放输出端再接一个电容时，就会使得驱动级极点频率降低，从而使得相角提前到达-180度，使得相角裕度变小，从而使得稳定性变差。

而相应的解决办法有两种，一是通过与输出电容并联一个电阻来解决，通过并联电阻使得驱动级极点频率增加，但是这里有一个问题，并联电阻将成为负载要分得一部分电流。另一种方法，如下图所示，输出经过电阻再经电容接地，这同样会带来问题，会有电流流过该电阻使得电阻将分得一部分电压使得运放输出端和电容电压不同，需要电阻的阻值很小。

至于为什么串联电阻会解决该问题，这要回到我们之前学过的内容，它虽然没有改变该极点，但是它又引入了一个零点，从而会抵消该极点的作用，使得相位在没有到达-180度之前再回到-90度。

接下来再看一下输入级电容对运放稳定性的影响，下图为同相放大器，并在反相输入端经电容接地。

再对反馈环节进行分析，得到其反馈环节为一阶系统，之前提到过，运放可以等效为理想一阶系统，这样整个系统就为二阶系统，二阶系统的稳定性变差，由于电容的引入，将会使得系统稳定性变差，当R2很大时，此极点频率将比较低，这样对稳定性影响比较大，当有时需要将该电路接成跟随器的形式的时候，往往在PCB板上只焊上R2，而不焊上R1，这样只要R2足够大，不需要很大的C1就会产生一个频率比较低的极点，而且有的时候板子上可能并没有这个电容，只是由于R2的一端距离反相输入端比较远，走线和平面上的铺铜间会有寄生电容的存在，这个电容和大的R2进行组合，也会给环路的稳定性带来不好的影响，改善方法为，第一种可以通过降低反馈电阻，这样该极点的频率不至于过低，

第二种是在R2端通过合理并联电容使得反馈环节不为一阶系统，这样就抵消了输入电容的影响。

再回顾一下上集的稳定性判据，相位裕度为环路增益为1时的相位再加上180度，当然，1/B越大，环路稳定性越好，当然最差情况是接成跟随器的形式。运放为了能够等效为理想一阶系统，它是利用电容在内部对其进行补偿，使得主极点频率比较低，而次极点在0dB之外，但也使带宽减小。所以，对于某些运放来说，datasheet中会规定在大于某个增益环路才是稳定的。再来说一下比较器，从根本上来说，其结构与运放有区别，比较器通常不需要电容在内部进行补偿，这样它的主极点可以在频率比较高的地方，使带宽增加，比较器通常用于开环状态，比较器相对于运放来说，带宽更大，速度更快，运放其实也可以当做比较器来用，只要其速度足够快，而比较器往往不能当做运放来用，当然如果接成跟随器的形式，往往是不稳定的，但是当接成一定放大倍数的时候就要再具体分析了。