运算放大器频率补偿/内部补偿解析

出处:网络 发布于:2020-11-20 14:48:20

  运算放大器应与外部网络结合使用,以提供负反馈。当信号在反馈环路周围传播时,首先通过运算放大器然后通过反馈网络传播,它会经历一系列延迟,这往往会危及电路的稳定性。

  实际上,如果这些延迟的累积效应导致180°的相位滞后,则反馈从负变为正;此外,如果具有正反馈,则环路周围的总增益超过1,则信号将以再生方式累积并导致不稳定。为了防止这种情况发生,有必要对运算放大器或反馈网络或两者的动态变化进行适当的改变,这些改变通常被称为频率补偿。本文将讨论运算放大器频率补偿及其在电路稳定性中的重要性。

  运算放大器频率补偿

  目前大多数运算放大器都通过合适的片上元件进行内部补偿。通常,补偿旨在用于闭环增益,一直到电压跟随器操作的单位增益。运算放大器的一个子类过来补偿大于单位值的闭环增益,例如10V/V。它们被称为失代偿运算放大器,它们提供的动态速度比补偿单位增益快。

  如果反馈网络包含无功元件,无论是有意还是寄生,则电路的稳定性可能受损,在这种情况下,用户有责任适当地修改反馈网络的动态特性,以便确保所需的稳定。电容负载、杂散输入电容和复合放大器提供了常见的失稳情况示例,后者的特征在于反馈网络本身包括另一个运算放大器。

  运算放大器的内部补偿

  即使用户无法控制内部补偿,但对于更有效地运用运算放大器,必须对内部补偿有一个基本的了解。许多运算放大器包括:

  (1)提供差分增益的输入级。

  (2)提供额外增益的中间级以及。

  (3)提供功率驱动的输出级。

  每个阶段的信号路径上的晶体管和节点的杂散电容会产生延迟,我们将它们集中在一起并与低通RC网络建模,如图1所示。(为简单起见,我们将忽略输出的延迟阶段因为它通常要快得多;在不需要电源驱动的片上系统中,这个阶段通常会被完全省略。)

  图1.运算放大器的近似AC模型。

  我们希望研究运算放大器的总增益a=Vo/Vd,也称为开环增益。在直流电中,所有电容器都用作开路,增益a接受该值。

  公式1

  在交流操作中,电路呈现两极频率。

  公式2

  现在来看看PSpice在反馈操作中观察这个放大器。与图2中的元件值,等式(1)和(2)得出a0=400×250=105V/V=100db,?1=6.366kHz和?2=254.6kHz。

  图2.用于绘制由R4确定的20dB步进的闭环增益的PSpice电路。

  在输出节点和反相输入节点之间连接分压器R3—R4,建立负反馈操作,反馈因子β为

  公式3

  并将电路配置为非反相放大器,其闭环增益Vo/Vi理想的为

  公式4

  将R4通过0、9kΩ、99kΩ、999kΩ和9999kΩ的值,得到图3的闭环图(为方便起见,图中还显示了开环增益a的图)。


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