电容性负载稳定性：噪声增益及 CF

本系列的第六部分是新《电气工程》杂志(Electrical Engineering)中“保持容性负载稳定的六种方法”栏目的开篇。这6种方法分别是RISO、高增益及CF、噪声增益、噪声增益及CF、输出引脚补偿以及具有双通道反馈的RISO。第6部分介绍了RISO、高增益及CF和噪声增益前三种方法。第7部分重新研究了用于双极性射极跟随器与CMOSPRO运算放大器的小信号AC输出阻抗ZO。现在，我们将在第8部分即本部分通过对噪声增益及CF的研究侧重探讨如何实现电容性负载的稳定性。  

我们将采用稳定性分析工具套件（其中包括ZO分析、Aol修正曲线创建、一阶分析与合成、TinaSPICE环路稳定性仿真、Tina SPICE瞬态仿真以及Tina SPICE Vout/Vin传递函数分析等）中大家都非常熟悉的工具来进行研究。在过去长达24年中，我们在真实环境下以及实际电路中进行了大量的测试，充分验证采用噪声增益及CF方法能够取得预期的效果。不过，由于资源限制，本文专门介绍的每条电路并未进行实际构建，仅用于读者练习或在个人应用（如：分析、合成、仿真、构建与测试）中使用。  

噪声增益与及CF补偿分为两种不同的情况：反相噪声增益及CF和非反相噪声增益及CF。顾名思义，两者的区别在于运算放大器电路配置是反相配置还是非反相配置。  

用于噪声增益及CF电容性负载稳定性分析的运算放大器  

我们进行噪声增益及CF电容性负载分析时所选择的运算放大器是CMOSRRIO运算放大器，其规格如图8.1所示。OPA348是具有轨至轨输入（超出每个电源0.2V以上）和轨至轨输出（当Iout=27uA时，Vsat=25mV）的低静态电流(65uA)运算放大器，专为单电源供电的系统而精心优化的。OPA348在最高饱和电压等于1V时还可提供5mA的输出电流。由于它是CMOSRRO运算放大器，因此我们需要了解其开环输出阻抗，以便为环路稳定性合成创建Aol修正曲线。  



反相噪声增益及CF  

噪声增益及CF补偿常用于涉及到低压电源的应用中，即要求在?电源电压时产生参考电压（如图8.2所示）。为了良好响应此类参考电压输出端的AC负载瞬态，电容器通常直接布置在运算放大器的输出端。这种“斗式充电装置”可以为高频瞬态负载提供及时保护，同时运算放大器能够准确地对电容器进行再充电并使整体DC电压保持在可编程的电平上。反相噪声增益及CF分析将采用图中所示的电路，其中运算放大器由两端分别接-5V和地来供电。输入信号是带-1/2增益的+5V电压，可产生-2.5V的参考输出电压。我们将设计承载-5mA负载电流的500欧姆负载。  



为了预测电容性负载会对Aol曲线产生哪些影响，我们首先要查明假定通过DC负载的电流为-5mA时ZO的情况。我们将采用“第7部分（共15部分）：RO何时转变为ZO？”中介绍的用于研究CMOSRROZO的方法与模型。在图8.3中，L1为1太拉亨利(Tera-Henry)电感，RI用于设定U1输出锻的负载电流。直流情况下，L1短路，而对于所有相关的交流频率，L1开路。通过利用一个1ApkAC电流发生器（其经过频率扫描）驱动U1输出，VOA可以直接转变为ZO。  



图8.4显示了采用TinaSPICE分析工具分析的AC结果。我们可以看出，对于既定的DC负载（-5mA）来说，ZO包含一个42.43欧姆的RO分量，在fz=1.76kHz时为相位为0。  

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如图8.5所示，我们建立了CMOSRRO模型。利用Ro与fz的测量值，我们可以快速计算出CO并建立DC负载电流为-5mA时的OPA348Zo模型。

然后采用叠加法创建在电容性负载CL的影响下所形成的Aol修正曲线。我们开始只考虑由于CL影响所产生的Aol修正曲线（忽略RL的影响），如图8.6所示。利用ZO模型，我们可以计算由于ZO和CL的影响而在Aol修正曲线中形成的极点fp2。

如图8.7所示，我们将单独研究RL和ZO对Aol曲线的影响。FHP是Aol修正曲线中的预测极点。

为了利用叠加计算的结果绘制Aol修正曲线，我们需要获得OPA348的空载Aol曲线。该曲线可从制造商的产品说明书中获得，也可通过OAP348的TinaSPICE宏模型测量得到（在本例中便是如此，因为该宏模型与相关产品说明书完全相符）。图8.8显示了空载Aol测试电路。请注意我们如何在不加载运算放大器输出的情况下利用阻值较大的电阻器创建DC工作点使之与我们的应用相匹配。如果在输出端存在饱和DC条件下（正或负饱和）对运算放大器进行SPICE分析，则会得到错误的Aol曲线，因为运算放大器宏模型中采用的MOSFET模型并不在线性工作区域之内。

图8.9显示OPA348空载Aol曲线的Tina SPICE结果。