使用运放构成电压跟随器的稳定性问题

运算放大器稳定性系列第10部分（共15部分）：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的 RI作者：德州仪器 (TI) 线性应用工程经理 Tim Green本系列的第 10 部分是我们所熟悉的《电气工程》杂志 (Electrical Engineering) 中《保持电容性负载稳定的六种方法》栏目的第六种方法（也是最后一种方法）。

这六种方法包括 Riso、高增益和 CF、噪声增益和CF、输出引脚补偿以及具有双通道反馈的 RISO。

在第 10 部分中，我们将阐述具有双通道反馈的 RISO。

这种拓扑结构通常用于缓冲高精度参考集成电路。

作为一种电压缓冲器，运算放大器电路可提供较高的源电流和吸收电流，这两种电流最初均来自高精度参考集成电路。

虽然，我们特别关注其中一种电路增益——电压跟随器电路增益，但是，当增益大于 1 时（只对所提供的计算公式做稍微调整），我们仍可以采用具有双通道反馈的 RISO。

在此我们将重点讲述两种最主要的运算放大器拓扑结构，即双极发射极跟随器以及 CMOS RRO。

分析和合成的步骤和技术相类似，但是，仍存在细微的差别，这些细微的差别足以确保观察到各种不同的输出拓扑结构。

为了获得一种意外的收获，我们有意不遵循经以往的历史经验，并创建 BIG NOT 以检测不适当稳定性补偿的效果。

从稳定性分析工具套件中，我们可以看到，具有双通道反馈的 RISO 技术由一阶分析得出，经Tina S PICE环路稳定性仿真确认，并由 Tina SPICE 中的 Vout/Vin AC 传输函数分析进行检验，最后采用Tina SPICE 中的实际瞬态稳定性测试方法进行全面的检验。

在过去长达25年中，我们在真实环境以及实际的电路情况下进行了测算，充分验证了这种电容稳定性技术。

然而，由于资源的限制，本文所述电路并未进行实际构建，在此仅供读者练习或在自身特定的技术应用（如分析、合成、仿真、构建以及测试等）中使用。

双极发射极跟随器：具有双通道反馈的 RISO我们选择用于分析具有双通道反馈的 RISO的双极发射极跟随器为 OPA177，具体情况请参阅图 10. 1。

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。

运放的稳定性仿真分析上期文章《运放11-运放稳定性评估举例》文末提到了，如果我们有（放大器）的Sp（ic）e模型，可以借助（仿真）软件直接仿真电路的稳定性——可以直接得到波特图曲线，这一期就专门来看看具体怎么玩。

我们还是以上期的电路为例子，也就是下面这个电路：这里面的放大器TLV9062，使用的是（TI）官网的S（pi）ce模型，上期没有告诉大家如何使用LTspice导入第三方文件，这里先详细介绍下LTspice怎么用吧（我主要用这个软件做仿真，如果已经知道怎么导入第三方模型的兄弟，可以先跳过下面这一小节）。

LTspice导入TI的TLV9062的模型详细步骤1、TI官网（下载）tlv9062的spice模型，将文件tlv9062放置到库目录下面2、按下面步骤添加理想模型opamp2，放置好器件3、按快捷键“T”，选择“SPICE directive”，输入“.include tlv9062.lib”,点击“OK”4、右键运放，将opamp2改成“tlv9062”，这个模型就可以使用了学会了怎么添加第三方模型，我们下面就正式进入正题——如何仿真稳定性仿真的原理以下图为例，这个放大10倍的电路如何仿真稳定性呢？从前几期文章我们知道，稳定性分析的基本原理就是看环路增益，最直观的莫过于画出环路增益的波特图。

仿真原理就是依据这个：我们让（信号）在环路里面跑一圈，输出与输入的比值就是环路增益。

那如何求呢？容易想到，我们断开环路的一处节点，断开后就会得到两个端点，我们从一个端点注入信号Vin，那么信号跑一圈之后，在另外一个端点就会得到一个信号Vout，按照前面所说的，环路增益=Vout/Vin，我们使用软件画出Vout/Vin的曲线，这个曲线也就是环路增益曲线，通过曲线，我们就可以判断电路是否稳定了。

上面这一段话换成实操就是：1、去掉电路原本的激励输入，即V1两端短接2、剪开环路：剪开输出端到反馈（电阻）（一般都是剪开这里），得到两个端点，反馈那边命名为Vin，另外一个端点命名为Vout 如下图所示：我们在仿真软件里面直接运行右边的电路是否可行呢？答案是不行的，因为断开了反馈环路之后，这个运放的静态工作点受到了影响，即直流偏置不对，因此呢，我们还要把电路改造一下。

运放的跟随应用电路分析摘要：本文介绍了运放的跟随应用电路的原理和分析方法。

通过对电路中电压跟随的原理和基本特点进行分析，给出了运放跟随电路的基本结构和设计原则，并通过实验验证了其可行性和优越性。

最后，论文还探讨了运放跟随应用电路的进一步研究方向。

关键词：运放，跟随，应用电路，原理，分析正文：1. 前言运放（operational amplifier，简称 op amp）是一种基本的模拟电路元件，具有放大、滤波、积分、微分等多种功能。

在模拟电路设计中，运放经常被用于实现电压、电流的信号放大、比较和控制等功能。

此外，运放还可以用于激励信号的信号调节和驱动输出负载等各种应用。

将运放应用于电路中的重要一环就是电压跟随。

电压跟随是指输出端电压全部或部分跟随输入端电压的变化。

这种应用可以解决很多实际电路设计中存在的问题，例如电路中信号源的内部阻抗变化、信号源输出的波形畸变等。

2. 运放跟随电路的原理运放的电压跟随电路是通常由一个运放和其它电阻、电容构成的（图1）。

输入端的电压通过运放的放大作用，在输出端得到一个经过放大或缩小的电压。

图1 运放电压跟随电路当输入端电压发生改变时，由于运放具有高输入阻抗和高增益的特性，输入端电流极小，其输出电压几乎等于输入电压，从而实现了电压跟随。

图2 经典跟随器运放跟随电路有多种形式，其中经典跟随器（follower）是最常用的一种（图2）。

经典跟随器是由一个运放和一个负反馈电阻组成的，它输出的电压几乎等于输入电压。

3. 运放跟随电路的设计设计运放跟随电路要根据具体的应用需求和工作条件来确定。

一般来说，设计运放跟随电路需要考虑以下因素：（1）输出电流需求：根据所驱动负载的电流要求，确定输出端电流范围。

（2）输出电压范围：根据需要跟随的输入电压范围，确定输出端电压的范围。

（3）工作频率：根据电路的工作频率和带宽要求，确定运放的带宽和增益。

（4）负载特性：根据驱动负载的特性（阻抗、容性等），确定反馈电路的参数。

●Hello,and welcome to the TI Precision Lab supplement for op amp stability.●This lab will walk through detailed calculations,SPICE simulations,and real-worldmeasurements that greatly help to reinforce the concepts established in the stability video series.●你好，欢迎来到TI Precision Labs（德州仪器高精度实验室）的运放稳定性环节。

●这个实验会包括计算，SPICE仿真和实际测试。

这些环节帮助大家对视频中的概念加深理解。

●The detailed calculation portion of this lab can be done by hand,but calculationtools such as MathCAD or Excel can help greatly.●The simulation exercises can be performed in any SPICE simulator,since TexasInstruments provides generic SPICE models of the op amps used in this lab.However,the simulations are most conveniently done in TINA-TI,which is a free SPICE simulator available from the Texas Instruments website.TINA simulation schematics are embedded in the presentation.●Finally,the real-world measurements are made using a printed circuit board,orPCB,provided by Texas Instruments.If you have access to standard lab equipment,you can make the necessary measurements with any oscilloscope, function generator,Bode plotter,and±15V power supply.However,we highly recommend the VirtualBench from National Instruments.The VirtualBench is an all-in-one test equipment solution which connects to a computer over USB or Wi-Fi and provides power supply rails,analog signal generator and oscilloscope channels,and a5½digit multimeter for convenient and accurate measurements.This lab is optimized for use with the VirtualBench.●本实验的计算可以通过實際計算，如果使用Mathcad或者Excel这样工具会更好。

题外话：用运放构成电压跟随器的电路，传统教科书仅是简单的把输出和反相输入端连接起来完事儿（如图一），而实际电路要复杂的多，稳定性问题不可忽视！本文是在一家日本IC厂家网站上找到的，希望对实际应用有一点帮助。

（电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。

输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。

因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。

在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。

起到承上启下的作用。

应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。

但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。

造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。

但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。

）图一Q. 用电压跟随器使运算放大器保持稳定，须注意哪些问题A：对于采用负反馈的放大电路，如何减少振荡以保持稳定，目前尚无定论。

电压跟随器也不例外。

（Fig1.）运算放大器理想的运行状态是输出电压和输入电压为同相，即，当负输入端的印加电压引起输出增大时，运算放大器能够相应地使增加的电压降低。

不过，运算放大器的输入端和输出端的相位总有差异。

当输出和输出之间的相位相差180°时，负输入与正输入正好相同，原本应该减少的输出却得到了增强。

题外话：用运放构成电压跟随器的电路， 传统教科书仅是简单的把输岀和反相输入端连接起来完事儿（如图一），而实际电路要复杂的多，稳定性问题不可忽视！本文是在一家日本 IC 厂家网站上找到的，希望对实际应用有一点帮助。

（电压跟随器，顾名思义，就是输岀电压与输入电压是相同的，就是说, 数恒小于且接近1。

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高， 而输岀阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。

输岀阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。

因为，电压放大器的输岀阻抗一般比较高， 通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输岀电阻中。

在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。

起到承上启下的作用。

随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样， 输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在如果真的没有负反馈的作用， 环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。

造成音质模糊, 度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路， 消除大环路负反馈的带来的弊端。

保证。

图一Q.用电压跟随器使运算放大器保持稳定，须注意哪些问题?A :对于采用负反馈的放大电路，如何减少振荡以保持稳定，目前尚无定论。

电 压跟随器电压跟随器的电压放大倍 应用电压跟 HI-FI 电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实， 相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。

但是由于引入了大试图通过断开负反馈回路来 但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大， 其失真度很难Vout也不例外。

（Figi.）运算放大器理想的运行状态是输出电压和输入电压为同相, 即，当负输入端的印加电压引起输出增大时，运算放大器能够相应地使增加的电压降低。

不过，运算 放大器的输入端和输出端的相位总有差异。

运放稳定性第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 9Rules-Of-Thumb 9Tina 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。

用运放构成电压跟随器应注意的几个问题（转）用运放构成电压跟随器的电路，传统教科书仅是简单的把输出和反相输入端连接起来完事儿（如图一），而实际电路要复杂的多，稳定性问题不可忽视！本文是在一家日本IC厂家网站上找到的，希望对实际应用有一点帮助。

电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。

输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。

因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。

在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。

起到承上启下的作用。

应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。

但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。

造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。

但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。

）图一Q. 用电压跟随器使运算放大器保持稳定，须注意哪些问题？A：对于采用负反馈的放大电路，如何减少振荡以保持稳定，目前尚无定论。

电压跟随器也不例外。

（Fig1.）运算放大器理想的运行状态是输出电压和输入电压为同相，即，当负输入端的印加电压引起输出增大时，运算放大器能够相应地使增加的电压降低。

不过，运算放大器的输入端和输出端的相位总有差异。

当输出和输出之间的相位相差180°时，负输入与正输入正好相同，原本应该减少的输出却得到了增强。