本文將介紹如何確保放大器穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)技巧，包括須知與禁忌，讓您無(wú)需深入研究基本數(shù)學(xué)原理即可設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的放大器電路。

 

最大限度降低寄生電容對(duì)放大器穩(wěn)定性影響的方法主要有三種：

 

1)、良好的布線技術(shù)，最大限度減少電路板和探頭的寄生電容。

 

2)、使用CFB放大器廠商規(guī)定的反饋和增益電阻值，保證提供足夠的相位裕度以承受較小的寄生電容。

 

3)、利用補(bǔ)償技術(shù)，最大限度降低頻率響應(yīng)峰值和脈沖響應(yīng)過(guò)沖。

 

1、電路板布線技巧

 

優(yōu)化電路性能，盡可能提升CFB放大器效果。需特別注意：電路板布線寄生、外部元件類型和電阻值。以下建議有助于優(yōu)化電路性能（參考圖1和圖2）：

 

使用去耦電容對(duì)電源引腳進(jìn)行低頻和高頻緩沖。對(duì)于高頻，并聯(lián)使用100nF和100pF電容，并將它們安置在距離電源引腳不到6mm的位置。對(duì)于低頻，使用6.8μF鉭電容，可距離放大器更遠(yuǎn)，并允許在其它設(shè)備間共享。避免使用窄電源和接地走線，盡量減少走線電感，特別是電源引腳和去耦電容間的走線電感。

 

由于放大器的輸出和反相輸入引腳對(duì)寄生電容最敏感，因此需將輸出電阻RS（如需要）靠近輸出引腳處，反饋和增益電阻（RF和RG）靠近反相輸入，將各自引腳與所有走線電容隔離。

 

在非反相輸入處增加RIN和CIN占位符，以補(bǔ)償由反相輸入端的寄生電容（CPI）引起的增益峰值。

 

確定是否需要輸出隔離電阻。低寄生電容負(fù)載（<5pF）通常不需要RS。此外，更高的寄生輸出電容可在沒(méi)有RS的情況下驅(qū)動(dòng)，但需要更高的閉環(huán)增益設(shè)置。

 

保持輸入和輸出引腳周圍有無(wú)接地層和無(wú)電源層的區(qū)域，盡量減輕交流接地相關(guān)電容的積聚。在電路板的其它地方，接地層和電源層應(yīng)保持完好。

 

通過(guò)100Ω電阻將每個(gè)測(cè)試點(diǎn)連接到要測(cè)量的走線，并隔離探針電容示波器與信號(hào)走線。

 

圖1：具備寄生電容和補(bǔ)償元件RS,、RIN及CIN的CFB放大器

 

圖2：無(wú)接地窗口的雙層PCB推薦布線

 

2、使用既定RF值

 

CFB放大器廠商通常指定多個(gè)RF值，每個(gè)RF值對(duì)應(yīng)不同的增益設(shè)置。使用推薦的電阻值可確保最佳性能，而不會(huì)帶來(lái)（或僅造成很小幅度的）峰值增益或帶寬損失；偏離這些值則會(huì)影響放大器性能。圖3中顯示了在信號(hào)增益為2時(shí)使用不同RF值的情況，可見，當(dāng)指定值RF=1.1kΩ時(shí)達(dá)到最佳性能。但當(dāng)RF提高至1.5kΩ時(shí)，會(huì)出現(xiàn)帶寬損失，而當(dāng)RF降低到600Ω時(shí)，會(huì)產(chǎn)生增益峰值（圖4）。

 

因此，要獲得最佳性能，請(qǐng)遵循廠商建議的RF值。

 

圖3：使用數(shù)據(jù)表中指定的RF值可確保最佳性能

 

圖4：偏離指定的RF值會(huì)導(dǎo)致增益產(chǎn)生峰值或降低帶寬

 

3、補(bǔ)償寄生電容的影響

 

為區(qū)分輸入端（CPI）和輸出端（CPO）的寄生電容，可進(jìn)行脈沖響應(yīng)測(cè)試。CPI通常小于CPO，并會(huì)導(dǎo)致短暫信號(hào)過(guò)沖；而CPO通常會(huì)造成信號(hào)振鈴現(xiàn)象延長(zhǎng)（圖5）。當(dāng)然，若CPI>CPO，情況則會(huì)反轉(zhuǎn)；然而這種情況很少發(fā)生。

 

圖5：CPI引起的信號(hào)過(guò)沖與CPO導(dǎo)致的信號(hào)振鈴現(xiàn)象

 

4、寄生輸入電容CPI

 

反相輸入端（CPI）的寄生電容通常較?。?.5至5pF），該電容由布線雜散電容和表面貼裝電阻RG的固有分流電容組成。CPI、RF、RG共同在放大器反饋路徑中形成低通特性，在放大器傳遞函數(shù)VO/VI中轉(zhuǎn)換為高通特性。

 

這種高通特性可在非反相放大器輸入端用R-C低通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。為此，非反相輸入端的輸入電容須與反相輸入端的寄生電容相匹配（CIN=CPI），且RIN值必須等于反饋和增益電阻的并聯(lián)值（RIN=RF||RG）。

 

圖6：通過(guò)RIN-CIN消除增益峰值

 

圖7：通過(guò)RIN-CIN減少過(guò)沖

 

圖6和圖7顯示了圖1中電路的頻率和脈沖響應(yīng)。當(dāng)放大器以G=2運(yùn)行時(shí)，其中的RF=RG為廠商規(guī)定的最佳性能電阻值。圖6和圖7中還可以觀察到以下結(jié)果：

 

? 當(dāng)CPI=0時(shí)，黑色曲線所示的頻率和脈沖響應(yīng)既未出現(xiàn)增益峰值也未出現(xiàn)過(guò)沖。對(duì)于10MHz的±100mV測(cè)試輸入，標(biāo)稱增益為6dB，脈沖幅度為±200mV。

 

? 當(dāng)CPI=5pF時(shí)，紅色曲線所示的頻率和脈沖響應(yīng)顯示增益峰值接近21dB，過(guò)沖為±1V。

 

? 在補(bǔ)償情況下（藍(lán)色曲線），當(dāng)CIN=CPI=5pF，且RIN=RF||RG=RF/2時(shí)，頻率和脈沖響應(yīng)分別顯示增益峰值和過(guò)沖降低至0.5dB和±45mV。

 

5、寄生輸出電容CPO

 

放大器輸出端（CPO）寄生電容還包含布線雜散電容，但大部分通常來(lái)自較大的負(fù)載電容，例如瞬態(tài)抑制器和電流導(dǎo)引二極管的結(jié)電容、電纜電容，模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其它放大器的輸入電容。因此，CPO的總值可低至20pF，也可能達(dá)到幾個(gè)100pF。

 

綜上所述，通常較小的寄生輸出電容對(duì)傳遞函數(shù)幾乎沒(méi)有影響，但較大的CPO值會(huì)導(dǎo)致高增益峰值，并且脈沖響應(yīng)會(huì)延長(zhǎng)振鈴。圖8和圖9顯示了輸出電容為20pF的影響，其增益峰值小于1dB，且僅出現(xiàn)低于30mV的小過(guò)沖。若需要補(bǔ)償CPO，則稍微提高RF、RG值即可。

 

圖8：利用較高RF值補(bǔ)償較小CPO值

 

圖9：補(bǔ)償結(jié)果顯示幾乎無(wú)法區(qū)分的脈沖響應(yīng)

 

與此相反，補(bǔ)償較大的輸出電容十分必要。圖10和圖11顯示了在未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，傳遞函數(shù)達(dá)到約15dB的增益峰值，且CPO為500pF時(shí)（紅色曲線）脈沖響應(yīng)中的長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)振鈴。即使提高RF、RG電阻值，改善效果也十分有限（藍(lán)色曲線）。不過(guò)，安置串聯(lián)電阻（RS）可將放大器輸出與容性負(fù)載隔離（參見圖1電路）。在此模擬中，需要一個(gè)僅為3.9Ω的小RS值將增益峰降至0.5dB以下，同時(shí)將信號(hào)過(guò)沖從±400mV降低到±50mV。

 

圖10：高CPO值需要額外的隔離電阻RS

 

圖11：通過(guò)RS補(bǔ)償顯著改善脈沖響應(yīng)

 

結(jié)論

 

本文中重點(diǎn)探討確保放大器穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)總結(jié)如下：

● 首先，應(yīng)采用良好的布線技術(shù)將寄生電容降至最低

● 使用6.8μF、100nF和100pF電容器為電源電壓提供低頻和高頻緩沖

● 在測(cè)試點(diǎn)和待測(cè)量走線間插入100Ω電阻，隔離探針電容與信號(hào)走線

● 使用數(shù)據(jù)表中指定的電阻值

● 進(jìn)行初始脈沖響應(yīng)測(cè)試，以區(qū)分寄生輸入和輸出電容

● 通過(guò)R-C低通濾波器補(bǔ)償非反相信號(hào)輸入端的寄生輸入電容

● 提高RF和RG值，補(bǔ)償較小寄生輸出電容

● 插入低值隔離電阻RS，補(bǔ)償較大的寄生輸出電容

 

 

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