為何在輸出端連接一個電容時,我的運算放大器會振盪?

驅動一個整合運算放大器的電容性負載可能是棘手的。如果負載電容太高,這會造成不穩定,使運算放大器輸出振盪。足夠的相位邊限對實現穩定性至關重要。隨著負載電容增大,相位邊限會減小。如果發現一個運算放大器輸出振盪,首先要查看的是負載。

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圖1. 在運算放大器輸出端的電容性負載會導致振盪

負載電容可以包括任何連接到輸出的電容以及任何外部電容或由系統產生的寄生電容,包括PCB和探針。這個電容增加相位滯後,降低相位邊限。結合內部輸出電阻,負載電容產生一個移動增益和相點陣圖的極點。這種效應如圖2所示。

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圖2. NCS2005增益和相位與頻率的關係。

例如,安森美半導體的NCS2005是個8 MHz的運算放大器,設計用於驅動達1 nF的電容性負載。請注意,隨著負載電容增加,相位邊限開始下降得更快。負載電容1 nF,相位邊限下降到約25-30°,根據經驗法則,這是設計一個系統應提供的最小相位邊限。一個25 pF的較小的負載電容在該增益和相點陣圖推動該極點到更高的頻率,提高相位邊限至65°。

另一種提高相位邊限的方法是在輸出端增加一個小的串聯電阻。通常情況下,使用電阻值在10Ω 至50Ω之間的電阻。這串聯電阻本質上有助於隔離運放輸出與負載電容。回饋是在串聯電阻前從運算放大器輸出取得。外部串聯電阻通常大於運放的輸出電阻,所以相移主要在於串聯電阻而不是運放。這種技術的缺點可能包括由於添加的電阻或低通濾波器外置R和C產生有限的頻率響應造成的直流誤差,但有其它(更複雜)的技術避免這缺點。

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圖3. 在電容器前添加電阻可幫助提高相位邊限

最後,提高相位邊限的另一種方法是增加電路的閉環增益。由於低輸出阻抗,單位增益最易受到不穩定的影響。

在選擇運放時,檢查相位邊限對電容性負載的回應總是個好辦法。一些運算放大器,如NCS2005,旨在驅動較大的負載。對於其他運放,如果您察覺到振盪,請嘗試這其中一種技術來提高相位邊限。

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