运算放大器的稳定性(九)：电容负载稳定性（上）

　　本系列文章的第 9 部分是大家熟悉的电子工程的第 5 章——“保持电容负载稳定性的六种方法”。这六种方法包括：Riso、高增益及 CF、噪声增益、噪声增益及CF、输出引脚补偿以及带双向反馈的 Riso。我们将在本部分介绍输出引脚补偿。这种保持电容负载稳定性方法不同于输出运算放大器“缓冲”网络，输出运算放大器“缓冲”网络通常用于功率运算放大器（带有所有 NPN 输出级）输出，其目的是在驱动电容负载时防止意外高频振荡。本系列文章的后面章节将详细介绍“缓冲”网络的使用情况。

　　有时，在现实生活中，我们并非总能够接近运算放大器的 -输入和/或 +输入，因此无法在模拟工具栏中使用其他补偿方法。我们将会在本部分探讨用于发射极跟随器输出运算放大器及 CMOS RRO 运算放大器的输出引脚补偿方法。发射极跟随器应用需要在独特的 4～20mA 构建块集成电路上采用一个参考输出。CMOS RRO 应用涉及一种用于电源反馈的差动放大器。这两种依范例定义的情况都属于现实应用。为此，我们可以断定唯一的保持电容负载稳定性的方法只能是输出引脚补偿。除了一阶分析与 TINA Spice 模拟之外，我们还可以利用“预测”结果来进行实际实施。

双极性发射极跟随器：输出引脚补偿

　　我们的双极性发射极跟随器输出引脚补偿实例如图 9.1 所示。XTR115/XT116 是一种可以将输入电压变化转换成 4～20mA 模拟信号的双线4～20mA 集成电路。由于 4～20mA 发送器用于驱动长距离线路，因此需要 7.5～36V 的大工作电压范围。此外，XTR115/XTR116 配有子稳压器，可为传感器调节电路提供 5V 的供电电压，以及 2.5V（XTR115）或 4.096V（XTR116）的高精度参考电压。

　　4～20mA 信号范围是既定的行业标准，用于工厂（普遍存在 50 或 60Hz 高电压噪声）等嘈杂环境中长距离（1 英里或 1.6 公里以上）模拟信号的传输。由于该标准是采用电流控制的传输，因此使用两条线路可以避免电压噪声耦合。它采用两条相同的线路来传输功率与信号。由于使用的模拟信号范围规定为 4～20mA，因此其中 4mA 的信号可驱动信号调节电路并触发两条线路发送器端的传感器。功率由接收机提供，而接收机同时还能接收 4～20mA 的模拟信号，该信号已根据传感器测量的实际参数（如：桥接压力传感器发送的压力）进行了分级。4～20mA 信号在接收机端通常由 A/D 转换器转换为1V～5V的电阻器（250 欧姆）电压。

　　通常在此类 4～20mA 传感器发送器中采用微控制器读取并将线性常数应用到实际传感器中。微控制器必须是低功耗控制器，以便允许某些电流触发传感器，原因是我们的总调节电路电流预算必须低于 4mA。MSP430F2003 提供一种低电压、低静态电流微控制器。该微控制器具有一个用于读取桥接变化的板上 ADC。在微控制器应用了线性常数之后，即与 DAC8832（一款用于生成 XTR115/XTR116 所需模拟输入电压的低功耗 DAC）进行通信。DAC8832 由一种零漂移、低功耗、单电源的运算放大器（OPA333）进行缓冲。由于我们的系统是一套完美的系统，因此可驱动任何器件，其中包括XTR115/XTR116 的精确VREF 引脚。我们之所以选择 XTR115 (2.5V VREF) 是因为 MSP430F2003 只能在 1.8V～3.3V 范围内工作。目前 MSP4302003 的板上 ADC 以及 DAC8832 将采用 XTR115 高精度 2.5V 参考电压。我们的典型总调节电路静态电流为 562uA，可以保留 3.4mA 的电流用于触发桥接传感器。目前我们唯一的难题是需要添加许多本地旁路电容器，以便在 XTR115 的 VREF 引脚驱动的众多集成电路附近实现良好的高频旁路。XTR115 VREF 引脚是否稳定？

图 9.1：4-20mA 桥接传感器应用

图 9.2 详细说明了 4～20mA 桥接传感器信号调节器应用中采用的集成电路的主要规格。

XTR115 VREF 引脚是图 9.3 所示的发射极跟随器输出拓扑运算放大器的输出引脚。

图 9.3：XTR115 VREF 引脚：发射极跟随器输出运算放大器

　　图 9.4 显示了 XTR11 VREF 引脚的等效示意图。VREF是缓冲的 1.25V 带隙参考电压，经过 2 倍放大后产生 XTR115 2.5V 参考输出电压。发射极跟随器输出级的 Ro 为 4.7k 欧姆。我们是从工厂获得上述信息、RF 与 RI 值以及 U1 的 Aol 曲线的，因为 XTR115 的产品说明书并未详细介绍所有资料。我们的总电容负载 CL 为 500nF。Ro 与 CL 互动，形成 XTR115 VREF 运算放大器的 Aol 修正曲线中的第二个极，即 fpu1。请注意：我们无法接入 U1 的 - 输入或 + 输入，因为它是 XTR115 的内部器件。所以我们只能使用一个引脚来补偿放大器稳定性（输出引脚：VREF）。另外，我们希望使 VREF 引脚保持极高的精度，因此在 CL 前面将该引脚与任何电阻串联均不是理想的解决方案。

图 9.4：XTR115 VREF 引脚：电容负载等效示意图

　　我们将采用图 9.5 所示的 TINA Spice 电路检验运算放大器的 Aol 曲线以及由于 CL 导致的 Aol 修正曲线。我们通过 LT（相关 DC 频率时短路、相关 AC 频率时开路）以及 CT（相关 DC 频率时开路、相关 AC 频率时短路）使用我们的 Spice AC 分析方法。

　　图 9.6 显示了运算放大器 Aol 曲线以及由于 CL 导致的 Aol 修正曲线。在 fcl1 可以看到，就我们的一阶稳定性标准而言不稳定的每十倍频程 40db 的闭合速率。根据预测，CL 导致的 fpu1 为 67.73Hz，其从检测的角度来看在本图中是正确的。

图 9.6：Aol 与修正 Aol：原始电路

　　我们检查了图 9.7 所示的环路增益图，并可以证实了当相位裕度在-fcl1 位置几乎为零时（0.442 度）对稳定性的担心。

图 9.7：环路增益图：原始电路

　　我们在图 9.8 进行瞬态稳定性测试 ，即在附带 500nF CL 的闭环电路中注入一个较小的方形波。

图 9.8：瞬态稳定性测试：原始电路

　　图 9.9 中的瞬态稳定性图再次表明我们的电路并不稳定。我们的运算放大器输出在响应小步阶变化时从未稳定过。请注意：VOA 以大约 2.5V 幅度变化，表明我们的 DC 电平对于本电路而言是正确的。

图 9.9：瞬态稳定性图：原始电路

　　我们在图 9.10 中明确了用于双极性发射极跟随器输出放大器的输出引脚补偿方法。首先我们用 fpu1 来修正运算放大器原始 Aol 修正曲线，fpu1 是由于 Ro 与 CL 产生的极点（参见曲线 1）。一旦创建了该曲线，我们就可以绘制从曲线 1 与 0dB 交叉点开始的第二条曲线（曲线 2）。从上述起点我们按照每十倍频程 -20dB 的斜率绘制出比 fp1（运算放大器 Aol 低频极点）高一个十倍频程的点，我们在此处把斜率修改到每十倍频程 -40dB。在频率为 fp1 时我们将斜率改回每十倍频程 -20dB，直到与运算放大器的 DC Aol 值相交叉。上述建议的 Aol 修正曲线（曲线 2）满足我们所有经验标准——通过使极点与零点相互保持在一个十倍频程之内，从而保持环路增益相位在环路增益带宽范围不低于 45 度。另外，我们建议的 Aol 修正曲线（曲线 2）还可满足在 fcl2 闭合速率为每十倍频程 20dB 的一阶稳定性标准。

图 9.10：输出引脚补偿：双极性发射极跟随器

　　图 9.11 说明了我们如何利用 RCO 及 CCO 获得建议的 Aol 修正曲线。另外我们还需要考虑另外一个极点，因为 CCO 在某些高频情况下会短路，而且 CL 与 RCO 将形成一个附加高频极点。即使此极点在 fcl2 之外出现，我们的情况仍然正常。

图 9.11：AC 稳定性检查：输出引脚补偿

　　由于知道 Ro 与 CL，因此可以利用图 9.12 所示公式以及图 9.10（曲线 2）建议的 Aol 修正曲线计算出补偿分量 RCO 与 CCO 以及由 RCO 与 CL 形成的超高频极点。

图 9.12：输出引脚补偿公式：双极性发射极跟随器

　　我们在图 9.13 中采用输出引脚补偿方法绘出预测曲线。由于 XTR115 之内的闭环运算放大器以 2 倍增益运行（6dB），闭环 VREF/VIN 曲线始终保持平直，直到在 fcl2 位置与 Aol 修正相交，由于环路增益已经等于零，因此此后该曲线随 Aol 修正曲线一直降低。

图 9.13：最终预测曲线：输出引脚补偿

　　图 9.14 是在采用图 9.11 所示电路的情况下，我们的 AC 稳定性分析 TINA Spice 模拟结果。在 fcl2 位置时可以看到每十倍频程 20dB 的闭合速率，但是我们应当通过相位图了解详细情况。

图 9.14：Aol 与 Aol 修正：输出引脚补偿

　　图 9.15 所示的环路增益图证明我们的输出引脚补偿方法可以产生稳定的电路。在 fcl2 位置时相位裕度为 40度，相位在环路增益带宽范围内不会过多低于 45 度。如果需要，我们可以细微调节输出引脚补偿值，以便在 fcl2 获得更高的相位裕度。

图9.15：环路增益：输出引脚补偿

　　图9.16中的电路采用瞬态稳定性测试来检查采用了输出引脚补偿的最终电路。

图9.16：瞬态稳定性测试：输出引脚补偿

　　图 9.17 所示的瞬态稳定性测试结果证明了我们的环路增益检查，即输出引脚补偿可以产生稳定的电路。一个较低的过冲以及无过度振铃的一个下冲看起来接近典型的、45 度相位裕度补偿电路。

　　图 9.18 所示的 TINA Spice 电路使我们能够检查最终的 VREF/VIN 闭环 AC 响应是否符合在图 9.13 中的预测。

　　根据图 9.13，我们估计 fcl2 约为 5kHz，因此预计对于 VREF/VIN 而言在该点会出现陡然降低。在图 9.19 中，我们可以看出闭环 AC 响应符合预测结果。在 AC 闭环响应中存在轻微峰化现象，不过其对于本应用不会造成影响。同样，如果我们希望减少这种峰化现象，就需要再次利用我们的输出引脚补偿把 fcl2 点的相位裕度提高到 40 度以上。

作者：Tim Green，德州仪器(TI)线性应用工程经理

关于作者：

　　Tim Green 于 1981 年毕业于亚利桑那大学 (University of Arizona) 并获得电子工程学士学位。他是一名杰出的模拟与混合信号板级／系统级设计工程师，拥有长达 24 年之久的丰富经验，其涉及的工作领域包括无刷马达控制、飞机喷气发动机控制、导弹系统、功率运算放大器、数据采集系统及 CCD 相机等。最近，Tim 还从事了有关模拟与混合信号半导体战略营销方面的工作。他现任亚利桑那州图森市TI公司的线性应用工程经理。