运算放大器的稳定性(九)：电容负载稳定性：输出引脚补偿

多级运算放大器的频率补偿分析Bo yang 2009-5-3 由于单级运算放大器cascode不能满足低电压的要求，而且短沟道效应和深亚微米CMOS的本征增益下降，所以要使用多级放大，这样就涉及到频率补偿的问题。

大部分的频率补偿拓扑结构都是采用极点分离和零极点抵消技术（使用电容和电阻）。

对于两级运算放大器而言这样的补偿无论是在理论分析还是在实际电路中都是可行的，但是对于多级放大器而言，要考虑的因素很多（电容面积，功耗，压摆率等）。

而且理论的分析不一定都适用于实际的电路。

所以对于多级放大器的频率补偿，这里给出了几种拓扑结构。

由于系统结构，传输函数都很复杂，所以在分析这些拓扑结构之前先给出一些假设条件：1）：假设每一级的增益都远远大于1；2）：假设负载电容和补偿电容都大于寄生集总电容；3）：每一级之间的寄生电容忽略不计。

以上这些假设都是很容易满足，而且在大部分电路中都是满足这些条件条件的。

一single stage对于单级放大器而言，其频率响应比较好，只有一个左半平面得极点，没有零点，所以整个系统是稳定的。

极点位置为：。

其增益带宽积为GBW=gmL/CL.所以可以通过增大跨导，减小输出电容的方式来增大带宽。

实际上它的相位裕度没有90度，是因为存在着寄生的零极点。

二这些寄生的零极点于信号路径上的偏置电流和器件的尺寸有关，所以单位增益带宽也不能无限制的增加，而是等于寄生最小极点或者零点的一半为比较合适的，而且大的偏置电流和小的器件尺寸对于稳定性是必要的二 two stage对于两级的运放，就是采用简单的米勒补偿（SMC）。

其补偿的结构如下所示：对于这种结构的传递函数可以表述如下从传递函数中很容易知道零极点位置。

其中一个右半平面得零点和两个极点。

为了保证系统稳定性，次极点和零点要在比单位增益频率大的地方，这样就要求Cm很大并把主极点推的很低,这样增益带宽积就要减小，要保持同样的速度即单位增益带宽，就要求大的功耗（增加跨导）通常选择次极点在单位增益频率两倍的位置。

电压反馈运算放大器的稳定性分析及补偿技术1，介绍:电压反馈放大器(VFA)已经有60年的历史，但从第一天起，对电路的设计仍存在问题。

反馈系统是易变的和精密的，但总有不稳定的趋势。

运算放大器电路结构使用了一个高增益放大器，它的参数取决于外部的反馈元件，如果没有反馈元件，放大器的增益非常高。

最轻微的输入信号都会使输出饱合。

运放是一个通用元件，所以这个结构的研究要很细致，但结果在很多电压反馈电路中都是可用的。

电流反馈放大器(CFA)很象电压反馈放大器(VFA)，但其间的差异很重要，在隔离反馈系统中应用时要确保CFA在掌控之中。

稳定性作为电子电路中的术语，常定义为实现无振荡状态，这是一个不准确不恰当的定义词汇。

稳定性是个相对概念，而其饱合使人们不易处理，因为相对地评判已经用尽，它很容易在一个电路之间画一条线，是振荡还是不振荡。

所以我们能了解为什么一些人相信振荡是稳定和不稳定之间的一条边界线。

反馈电路展示出一个拙劣的相位响应，过冲及振荡之前的振铃。

这些现象在电路设计时都要考虑到，而且是不希望有的。

本文不去涉及振荡器，于是相对的稳定性定义为一项性能。

根据此定义，当设计师决定在可接受的相对稳定的电路中有些折衷，相对的稳定性的测量是阻尼的比例(ζ)阻尼比的细节讨论见参考文件1。

阻尼比相对于相位移动是另一个稳定性的测量标准。

多数稳定电路都有较长的响应时间，低的带宽，高的精度及少的过冲。

欠稳定的电路有最快的响应时间，最高的带宽，低的精度及一些过冲。

放大器由有源元件诸如晶体管一类组成。

合适的晶体管参数象晶体管增益，提供一个漂移及初始的来自各方的非精密度。

所以放大器由这些元件组合时就存在了漂移和非精密状态。

而漂移和非精准要用负反馈来消除。

运放电路结构采用反馈系统使电路的传输函数与放大器特性无关。

做到了这一点，电路的传输函数就只取决于外部元件。

外部的无源元件几乎可以满足漂移和精度的规范，仅有成本和几何尺寸限制这些无源元件的使用。

运算放大器常见指标及重要特性运算放大器是一种电子放大器，用于放大微弱电信号。

它是现代电子系统中的关键组件之一，广泛应用于各种电路中，如音频放大器、通信电路、仪器仪表、运算放大电路等。

了解运算放大器的常见指标和重要特性对于正确选择和应用运算放大器至关重要。

下面是关于运算放大器常见指标和重要特性的详细介绍。

1.常见指标(1)增益：运算放大器的增益是指输入信号和输出信号之间的放大倍数。

运算放大器的增益通常用电压增益来表示，即输出电压与输入电压之比。

(2)输入阻抗：运算放大器的输入阻抗是指输入端对外界电路的负载特性，也就是输入电路对外界电路之间的阻抗。

输入阻抗越大，对外界电路的负载影响越小。

(3)输出阻抗：运算放大器的输出阻抗是指输出端对外界电路的负载特性，也就是输出电路对外界电路之间的阻抗。

输出阻抗越小，对外界电路的阻抗匹配越好。

(4)带宽：运算放大器的带宽是指在指定的增益范围内，能够传递的频率范围。

带宽越大，运算放大器能够传递的高频信号越多。

(5)零点抵消：运算放大器的零点抵消是指在输出电压为零时，输入电压不为零的情况下，输出电压的漂移量。

零点抵消越好，运算放大器的精度越高。

2.重要特性(1)运算精度：运算放大器的运算精度是指在给定的测量条件下，输出结果与实际值之间的偏差大小。

运算精度越高，运算放大器输出的信号越准确。

(2)稳定性：运算放大器的稳定性是指在不同工作条件下，输出信号的稳定程度。

稳定性越好，运算放大器的输出信号波动越小。

(3)噪声：运算放大器的噪声是指在运放输入端产生的不可避免的电压或电流波动。

噪声越小，运算放大器的信噪比越高。

(4)温度漂移：运算放大器的温度漂移是指在温度变化的情况下，输出信号的稳定程度。

温度漂移越小，运算放大器的性能越稳定。

(5)电源电压范围：运算放大器的电源电压范围是指能够正常工作的电源电压范围。

电源电压范围越大，运算放大器的适用范围越广。

(6)输入偏置电流：运算放大器的输入偏置电流是指在没有输入信号的情况下，输入端电流的大小。

电路中的放大器稳定性分析放大器是电子电路中常见的设备，用于放大电信号的幅度。

在电路设计中，放大器的稳定性是一个重要的考虑因素。

稳定性指的是电路在各种运行条件下保持稳定的能力。

本文将详细介绍电路中的放大器稳定性分析。

一、引言在电子电路中，放大器是一种关键组件。

它可以将电信号的弱信号放大至足够大的幅度，以便进行后续的处理或传输。

放大器的稳定性对电路的整体性能至关重要。

二、放大器的稳定性问题放大器的稳定性问题主要涉及到两个方面：反馈环路和频率响应。

在放大器中，反馈环路是一个常见的设计策略，它可以控制放大器的增益，并提高放大器的稳定性。

然而，反馈环路也可能引入稳定性问题，例如振荡。

1. 反馈环路的稳定性反馈环路可以分为正反馈和负反馈两种类型。

正反馈会增加放大器的输出，而负反馈则会减小放大器的输出。

负反馈可以增加放大器的稳定性，但过多的负反馈可能导致放大器的带宽减小。

因此，在设计反馈环路时，需要平衡增益和稳定性的要求。

2. 频率响应的稳定性频率响应是衡量放大器性能的一个重要指标，它描述了放大器在不同频率下的增益特性。

放大器的频率响应可能受到电容、电感、阻抗等元件的影响。

在分析放大器的频率响应时，需要考虑这些元件的特性，并选择合适的组件以保持系统的稳定。

三、放大器稳定性分析的方法在电路设计中，有几种常用的方法可以用来分析放大器的稳定性。

以下是一些常见的方法：1. Nyquist准则Nyquist准则是一种通过绘制频率响应曲线上的虚线轨迹来评估放大器的稳定性的方法。

当轨迹穿过-1点（点（-1,0）表示的是相位延迟为180度，增益衰减为1的状态），放大器就处于稳定状态。

如果轨迹围绕-1点多次，则放大器可能会产生振荡。

2. 极点分析法极点是放大器传递函数中的根，通过分析极点的位置和数量，可以得出放大器的稳定性。

通常情况下，放大器的极点应该位于开环增益曲线上，并且具有负实部。

如果放大器的极点位于稳定区域之外，那么它可能是不稳定的。

运算放大器的稳定性第1部分（共15部分）：环路稳定性基础作者：Tim Green ，TI 公司Burr-Brown 产品战略发展经理1.0 引言本系列所采用的所有技术都将“以实例来定义”，而不管它在其他应用中能否用普通公式来表达。

为便于进行稳定性分析，我们在工具箱中使用了多种工具，包括数据资料信息、技巧、经验、SPICE 仿真以及真实世界测试等，都将用来加快我们的稳定运放电路设计。

尽管很多技术都适用于电压反馈运放，但上述这些工具尤其适用于统一增益带宽小于20MHz 的电压反馈运放。

选择增益带宽小于20MHz 的原因是，随着运放带宽的增加，电路中的其他一些主要因素会形成回路，如印制板 (PCB) 上的寄生电容、电容中的寄生电感以及电阻中的寄生电容与电感等。

我们下面介绍的大多数经验与技术并非仅仅是理论上的，而且是从利用增益带宽小于20MHz 的运放、实际设计并构建真实世界电路中得来的。

本系列的第1部分回顾了进行稳定性分析所需的一些基本知识，并定义了将在整个系列中使用的一些术语。

9Data Sheet Info 9Tricks 99Tina SPICE Simulation9TestingGoal:EASILY Tricks & Rules-Of-Thumb apply for Voltage FeedbackOp Amps, Unity Gain Bandwidth <20MHzTo learn how to analyze and design Op Amp circuits for guaranteed Loop Stability using Data Sheet Info, Tricks, Rules-Of-Thumb, Tina SPICE Simulation, and Testing.Note:图1.0 稳定性分析工具箱图字（上、下）：数据资料信息、技巧、经验、Tina SPICE 仿真、测试；目的：学习如何用数据资料信息、技巧、经验法则、Tina SPICE 仿真及测试来“更容易地”分析和设计运放，以确保环路稳定性；注：用于统一增益带宽小于20MHz 的电压反馈运放的技巧与经验法则。

运算放大器稳定性设计分析9:输出引脚补偿作者：Tim Green 时间：2007-03-01 来源:德州仪器公司本系列文章的第 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。

电路结构建议采用典型电路形式和厂商提供的电路，许多电路结构都是经过很多工程师们反复实验和验证过的。

采用OP构成的放大器电路的精度主要与外部元器件参数有关，例如放大倍数与外接的电阻有关。

解决放大器的稳定性就比较复杂了，涉及到放大器的电路结构、PCB布局、电源供给、以及放大器所在的系统环境等等、等等。

一些建议如下：与分立器件相比，现代集成运算放大器（op amp）和仪表放大器（in-amp）为设计工程师带来了许多好处。

虽然提供了许多巧妙、有用并且吸引人的电路。

往往都是这样，由于仓促地组装电路而会忽视了一些非常基本的问题，从而导致电路不能实现预期功能——或者可能根本不工作放大器电路设计：如何避免常见问题。

（1）最常遇到的一个应用问题是在交流（AC）耦合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流（DC）回路。

在图1中，一只电容器与运算放大器的同相输入端串联以实现AC耦合，这是一种隔离输入电压（VIN）的DC分量的简单方法。

这在高增益应用中尤其有用，在那些应用中哪怕运算放大器输入端很小的直流电压都会限制动态范围，甚至导致输出饱和。

然而，在高阻抗输入端加电容耦合，而不为同相输入端的电流提供DC通路，会出现问题。

图1 运算放大器AC耦合输入错误的连接形式（2）在仪表放大器的输出端和ADC的输入端之间通常接一个简单的RC低通抗混叠滤波器以减少带外噪声。

RC低通滤波器的典型值：R = 50Ω~ 200Ω，C = 1/(2πR F)，按电路的-3 dB带宽设置C的取值。

（3）当从电源电压利用分压器为放大器提供参考电压时应保证PSR性能一个经常忽视的问题是电源电压VS的任何噪声、瞬变或漂移都会通过参考输入按照分压比经过衰减后直接加在输出端。

实际的解决方案包括旁路滤波以及甚至使用精密参考电压IC 产生的参考电压，例如ADR121，代替Vs分压。

当设计带有仪表放大器和运算放大器的电路时，这方面的考虑很重要。

电源电压抑制技术用来隔离放大器免受其电源电压中的交流声、噪声和任何瞬态电压变化的影响。

运算放大器的稳定性以及输入电容Ron Mancini[著]Kenny Kuang[译]Michael Chow[校]【声明】此文版权为Ti公司的Ron Mancini先生，原文名为Op amp stability and input capacitance，由于译者水平有限，时间匆忙，难免会有疏漏以及待斟酌之处，望各位热心的资深网友批评指正。

引言运算放大器的不稳定性可以通过外部的RC 网络进行补偿。

虽然有上千种不同的运放，但是他们都可以归结为两类：无补偿的和内部补偿的。

无补偿的运放通常需要外部的补偿来达到稳定性；而内部补偿也只是在无外部补偿网络的有限情况下是稳定的。

内部补偿的运放可能在下面几种情况下处于非稳态：驱动容性负载，在反相输入端加电容，在反馈回路中加入了引起相位变化的元件。

制作振荡电路就是利用反馈回路中的相移，这已经超出了本文的范畴。

输入电容很难避免，因为运放的引脚存在寄生电容，因此很多内部补偿的运放电路需要外部的补偿网络来保持稳定性。

输出电容的形式是以某种负载的方式出现的——电缆，转换器的输入电容或者滤波器的输入电容——而且在缓冲器结构中减小稳定性。

稳定性理论回顾图1中所示的运算放大器的理论是从参考文献1，第6章中摘录的。

环路增益A β非常关键，因为只有它才能决定了电路的稳定性。

为了稳定性分析，输入全都接地，因此输入电路和信号源对稳定性没有影响。

式1是当Z=R 时的环路增益方程。

GF GaR A R R β=+ （1）留心式1：它的简易性误导了人们，因为它简单的假设了A=a ，而这在所有的情况下都是不实际的。

稳定性可以简单的从一个环路增益-频率图中得出。

临界点位于环路增益为0dB （增益为1）的地方，因为一个电路的增益必须≥1时才变得不稳定。

相位裕度（已测得的相位角与180°的差值）可以在0dB 点计算出来。

这里我们用一个颇具代表性的TLV278x 系列运算放大器的开环增益曲线作为例子，如图2所示。

运放的相位补偿为了让运放能够正常工作,电路中常在输入与输出之间加一相位补偿电容。

1，关于补偿电容理论计算有是有的，但是到了设计成熟阶段好象大部分人都是凭借以前的调试经验了，一般对于电容大小的取值要考虑到系统的频响（简单点说加的电容越大，带宽越窄），然后就是振荡问题；如果你非要计算，可以看看运放的输入端的分布电容是多大，举个例子，负反馈放大电路就是要保证输入端的那个电阻阻值和分布电容的乘积=反馈电阻的阻值和你要加的电容的乘积......2，两个作用1. 改变反馈网络相移，补偿运放相位滞后2. 补偿运放输入端电容的影响（其实最终还是补偿相位……）因为我们所用的运放都不是理想的。

一般实际使用的运算放大器对一定频率的信号都有相应的相移作用，这样的信号反馈到输入端将使放大电路工作不稳定甚至发生振荡，为此必须加相应的电容予以一定的相位补偿。

在运放内部一般内置有补偿电容，当然如果需要的话也可在电路中外加，至于其值取决于信号频率和电路特性运放输入补偿电容一般线性工作的放大器(即引入负反馈的放大电路)的输入寄生电容Cs会影响电路的稳定性，其补偿措施见图。

放大器的输入端一般存在约几皮法的寄生电容Cs，这个电容包括运放的输入电容和布线分布电容，它与反馈电阻Rf组成一个滞后网络，引起输出电压相位滞后，当输入信号的频率很高时，Cs的旁路作用使放大器的高频响应变差，其频带的上限频率约为：ωh=1／(2πRfCs)若Rf的阻值较大，放大器的上限频率就将严重下降，同时Cs、Rf引入的附加滞后相位可能引起寄生振荡，因而会引起严重的稳定性问题。

对此，一个简单的解决方法是减小Rf的阻值，使ωh高出实际应用的频率范围，但这种方法将使运算放大器的电压放大倍数下降(因Av=-Rf/Rin)。

为了保持放大电路的电压放大倍数较高，更通用的方法是在Rf上并接一个补偿电容Cf，使RinCf网络与RfCs网络构成相位补偿。

RinCf将引起输出电压相位超前，由于不能准确知道Cs的值，所以相位超前量与滞后量不可能得到完全补偿，一般是采用可变电容Cf，用实验和调整Cf的方法使附加相移最小。

电子电路中的功率放大器稳定性问题如何解决在电子电路设计中，功率放大器扮演着重要的角色。

然而，功率放大器的稳定性问题常常困扰着电路设计师。

本文将探讨功率放大器稳定性问题的原因，并提出解决这些问题的一些方法和技巧。

一、功率放大器稳定性问题的原因功率放大器的稳定性问题主要源于其不稳定的极点和不稳定的传输参数。

这些问题可能导致放大器的振荡或频率失真，对电路性能造成严重影响。

1. 极点分布：功率放大器的稳定性受到其极点分布的影响。

极点的数量、位置和稳定性决定了放大器的行为。

若极点位于单位圆内或非线性区域，则放大器容易产生振荡。

2. 传输参数：功率放大器的传输参数对放大器的稳定性也有一定影响。

传输参数中的相位和增益特性对于信号的放大和传输至关重要。

信号的正反馈或相位延迟可能导致放大器产生振荡。

二、解决功率放大器稳定性问题的方法为了解决功率放大器稳定性问题，设计师可以采取以下一些方法和技巧。

1. 负反馈：负反馈是解决功率放大器稳定性问题的一种常见方法。

通过在放大器环路中引入一个反馈回路，可以有效减小放大器的非线性和相位失真。

负反馈能够降低放大器的放大倍数，并增加放大器的带宽和稳定性。

2. 补偿网络：利用补偿网络也可以改善功率放大器的稳定性。

补偿网络通常由电容器和电阻器构成，用于调整输出信号的相位和增益响应。

补偿网络的设计需要考虑到放大器的非线性和相位特性，以实现稳定的放大器性能。

3. 规避振荡：为了规避振荡问题，设计师可以采取一些措施。

例如，合理选择功率放大器的输入和输出端口的匹配网络，以确保输入输出的阻抗匹配。

此外，采用合适的功率分配和功率调控方法，避免功率放大器在工作过程中产生过大的信号波动。

4. 模拟仿真：使用模拟仿真软件，如SPICE等，可以帮助设计师在设计阶段对功率放大器的稳定性进行评估和优化。

通过构建电路模型并进行仿真分析，可以发现和解决潜在的稳定性问题，提前预测和改善功率放大器的性能。

5. 参数优化：在功率放大器设计中，参数优化也是关键的一步。