运算放大器稳定性

图 7.6。



图 7.6：并非所有的 SPICE 放大器模型都相等！

由于我们无法找到具有精确 A-B 类偏置及真实晶体管输出的双极性射极跟随器放大器宏模型，来进行真实环境下的准确性能分析，所以我们自建了测评模型。在这里，我们可以看到一个由开环增益为 160dB (x100E6) 的压控电压源实施的理想前端。输出晶体管 QP 及 QM 位于简化的 A-B 类偏置电路中。我们将放大器的最大输出电流设为 27mA。因此，若需找出 RO 参数 RX，我们就要采用 +27mA 的负载电流进行测试。通过使用“输入电阻” RL 及“反馈”电感 LF，可以在 Tina SPICE 中轻松建立简单的 ZO 测试电路。如图 7.7 所示。我们可以将 DC 环境下的电感器视为短路，而 RL 上施加了电压 VDC，形成了如下所示的 DC 负载电流。凭借理想的 1T-Henry (1E12 Henry) 电感器，我们可以实现 DC 闭环路径，以使 SPICE 能够找到工作点 (operating point)，但对于任何目标 AC 频率则为开路。现在，如果我们用 1A 的 AC 电流源 Itest 来激励电路，则经过 dB 数学转换后 VOUT 成为 ZO。请注意，在这种重负载情况下，IOUT =+27mA，即 QM（实际处于“关闭”状态）和QP（处于“开启”状态）决定了输出阻抗。



图 7.7：ZO、重负载 IOUT = +27mA

图 7.7 显示了双极性射极跟随器输出放大器在当 IOUT = +27mA 时 ZO 的测量结果。SPICE 的初始结果将绘制在“线性 dB”区域。如果我们对 y 坐标轴取“对数”，则会直接产生 ZO 的欧姆值。y 坐标轴上的对数标尺对我们查看其他频率带宽不为常数（如 CMOS RRO）的 ZO 图很有帮助。



图 7.8：ZO AC 图、重负载 IOUT = +27Ma

图 7.9 显示了 IOUT = +27mA 时的大等效负载 ZO 模型。RX 的测量值为 6.39Ω。我们假定，使用的 QP 及 QM 输出晶体管性能接近，并因此赋予这两个输出晶体管相同的 RX 值。如有需要，我们可以重新进行分析并测量 IOUT = -27mA 时的 RX 值。结果将会非常接近，以致可以忽略其中的差别。根据此模型，我们可以假定 RMim 为高阻抗，不会干扰 RO 的测量。此外，我们假定 RPip 比 RX 小得多。



图 7.9：重负载 ZO 模型

图 7.10 详细描述了 A-B 类偏置射极跟随器的无输出负载环境。我们将 A-B 类偏置电流 IAB 设为 1.08mA。对于无输出负载的情况，两个输出晶体管QP 及 QM 均处于开启状态且对 ZO 产生的影响相同。



图 7.10：ZO、空载 IOUT = 0mA

如图 7.11 所示，空载 ZO 的测量值为 14.8Ω。凭借这些信息以及 ZO 的重负载值（由 RX 推算），我们通过计算常数 KZ 可以完成对小信号 ZO 的建模。



图 7.11：ZO AC 图、空载 IOUT = 0mA

在图 7.12 中，我们使用空载条件下的射极跟随器 ZO 模型。我们使用重负载条件下得到的结果并为 RX 填入相应值。现在，我们需要求出空载条件 ZO 的 KZ 值，并假定两个输出晶体管 QP 及 QM 的参数相近。详细的推导过程如上图所示，我们发现 KZ 值为 0.0250668。



图 7.12：空载 ZO 模型

现在，让我们测试射极跟随器 ZO 模型。我们将使用 QP 提供的约为 2 倍 IAB 大小的 DC 电流，即 A-B 类偏置电流的两倍。这样就得关闭 QM，并迫使 QP 的 RO 成为 ZO 的主要部分。从图 7.13 可以看出这基本是正确的。这也恰当地解释了 A-B 类偏置方案在真实环境中是如何发挥作用的。我们了解到，当负载电流呈正增长时，所有 A-B 类偏置电流开始向正输出晶体管 QP偏移。当负载电流变为负值时，全部 A-B 类偏置电流开始向 QM 偏移，直至 QP 在负的重负载电流作用下完全关闭。



图 7.13：ZO、轻负载 IOUT = +2xIAB (2.16mA)

图 7.14 显示了射极跟随器轻负载 ZO 模型。使用已知的 RX 及 KZ 值，我们可以计算出需要的等价 ZO 值，然后采用下图结果运行 Tina SPICE 仿真。我们计算得出轻负载下 ZO 值为 13.2326Ω，而 SPICE 的测量结果为 12.85Ω。两个结果非常相近，适用于各种相关分析。如果投入时间研究，我们会发现 QP 及 QM 的参数不完全一样。



图 7.14：轻负载 ZO 模型

图 7.15 中显示了轻负载时 ZO 的 Tina SPICE 仿真结果。



图 7.15：ZO AC 图、轻负载 IOUT = +2.16mA

现在我们可以建立如图 7.16 所示的、完整的射极跟随器 ZO 曲线图集。从图 7.16 中我们可以看出，ZO 由 RO决定，RO对于放大器的单位增益带宽而言是常数，其会随着负载电流的上升而下降。请注意，ZO 是根据源极和漏极电流在轻负载条件下以及重负载条件下源极或漏极 ZO 无显著差别的情况下得出的。在双极性射极跟随器放大器产品说明书中应包含了这些重要的 ZO 曲线。



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