輸入電容的風險

作者: Ron Mancini,EDN

在設計運算放大器時,不可能不含輸入電容,而運算放大器的印刷電路板上就包含更多了。除了回饋電容CF,其他所有電容都是雜散電容,它們會影響電路的穩定性。

在設計運算放大器時,不可能不含輸入電容,而運算放大器的印刷電路板上就包含更多了(圖1)。除了回饋電容CF,其他所有電容都是雜散電容,它們會影響電路的穩定性。例如,如果人為將這些電容設置為零,則可以用公式(1)求得環路增益。運算放大器的開環增益a包含幅度和相位成分,因此波特(對數穩定性)圖中會產生相移。波特圖上的臨界點是增益幅度等於零(增益=1)的點;180與實際相移之間的差是相位裕量。

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外部元件是電阻性的;使RG=RF,可以使環路增益降低6dB。這可以進一步增強穩定性,並使波特圖上的縱截距下降6dB,而極點位置保持不變。公式(2)提供了具有實際輸入電容(CF = 0)的反相放大器的環路增益。

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該輸入電容向環路增益增加了一個極點,並且當RG和RF的並聯值較小時,例如500Ω,極點位置位於f = 16.76MHz處。該極點在其位置頻率的十分之一處引起的相移基本為零,因此輸入電容不會影響增益頻寬小於1.676MHz的運算放大器。當運算放大器的增益頻寬超過1.676MHz時,該極點引起的相移會增加至環路增益相移,並且運算放大器會產生過衝、振鈴、隨後振盪,這取決於其相位回應。

增加RG和RF的並聯值會導致極點頻率降低(RF || RG = 5kΩ時,f = 0.1676MHz)。因此,相移發生得越快,不穩定性問題就越嚴重。傳統的解決辦法是,使高頻運算放大器電路中的電阻較小,以最大程度地減小雜散輸入電容的影響。解決輸入電容問題的另一種方案是增加一個回饋電容CF。當電路中有輸入和回饋電容時,由公式(3)可以計算出其環路增益。

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公式(3)中的零點始終先於極點; 因此,它的相移抵消了一部分負相移,直到極點起作用。透過使RFCF = RGCG,電路就可以獨立於兩個電容。這種方法對閉環頻寬性能而言通常並不是最佳選擇,因此工程師選擇使用較小的CF值。透過最佳化電阻值、電容值和運算放大器頻寬可以獲得最佳的高頻性能,但在實驗室,2CF = CG是一個極好的起點。

反相運算放大器和同相運算放大器的穩定性是一樣的,因為穩定性與輸入無關。反相運算放大器的工作很像理論預測,但是同相運算放大器的抗共模能力較低,因為一部分輸入訊號通過差分電容(CD)饋入反相節點,抗共模性能的下降僅在高頻時才明顯。

參考資料

  1. Mancini, Ron, Op Amps for Everyone , Newnes, March 2003.

(參考原文: The perils of input capacitance,by Ron Mancini,EDN China Jenny Liao編譯)

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