运放稳定性连载6：RO与ROUT（1）

作者：Tim Green，德州仪器公司

本系列第3 部分将着重澄清有关运放“输出阻抗”的一些常见误解。我们将会为运放定义两种不同的输出阻抗——RO和ROUT。RO在我们开始稳定正在驱动容性负载的运放电路时变得极其有用。我们将介绍几种从运放厂商数据资料上得出RO的简单技术，此外还会给出几种针对其数据资料不包含RO指标的运放的实测技术。我们还将介绍一种使用SPICE运放模型和RO的技巧，这种技巧将使您能使用SPICE环路增益测试并将RO作用包括进去（这对容性负载驱动电路极其有用）。

RO和ROUT的定义与推导

这里，并且在本系列的各处，RO定义为运放的开环输出阻抗。ROUT定义为运放的闭环输出阻抗。图3.0突出了这
两种不同阻抗间的重要差别。


图3.0：RO和ROUT的定义与推导

图字：RO＝运放开环输出阻抗，ROUT＝运放闭环输出阻抗
图3.0显示RO和ROUT。ROUT为减小了环路增益倍的RO 。图3.1定义用于从RO导出 ROUT的运放模型。此简化运放模型专门用于描述运放的基本直流特征。在-IN与+IN之间具有高输入阻抗（100 mΩ 到 GΩ）。-IN与＋IN之间的压差在RDIFF上形成误差电压VE。该误差电压VE被放大开环增益系数Aol倍后变成VO。串联在VO至输出电压VOUT之间的就是RO——开环输出阻抗。


图3.1：用于推导ROUT的运放模型

利用图3.1 所示的运放模型，我们可得出ROUT为RO和Aolβ函数。这一推导的详细过程在图3.2中给出。我们看到，环路增益Aolβ缩小RO，从而对于较大的Aolβ值，带反馈的运放的输出阻抗ROUT会比RO低得多。


图3.2：ROUT的推导

图字：
6) …将3) 代入5) 替换VO
7) .…将4) 代入6) 替换VE
8)…整理7) 得到左边形式的VOUT
9) …在8) 中两边相除得到左边的VOUT
10) .. 9) 两边同时除以IOUT，得到左边的ROUT[ 从(2) ]
11) ..将1) 代入10)

从数据资料曲线上计算RO OPA353为宽带（UGBW=44MHz、SR=22V/uS、Settle to 0.1%=0.1us）CMOS、单电源（2.7V至5.5V）、RRIO（轨至轨输入和输出）运放。在厂家数据资料中的规格表中没有给出RO的指标。不过，在典型性能曲线中有两条有助于我们确定RO的的曲线。我们需要使用开环增益/相位与频率关系曲线（见图3.3）和闭环输出阻抗与频率关系曲线（见图3.4）来方便地计算RO。闭环输出阻抗与频率关系曲线实际上是ROUT与频率关系曲线。在电压反馈运放的统一增益带宽内，RO与ROUT主要是阻性的。在图3.4所示的闭环输出阻抗与频率关系曲线上，我们选择G=10的曲线和x轴上的点1 MHz（只是选择一个容易读取的数据点）。在1 MHz和G=10曲线的交叉点上，我们看到ROUT=10Ω。在图3.3所示的开环增益/相位与频率关系曲线上，我们在x轴上找到1 MHz的频率点，且读出开环增益为29.54dB（我们使用标尺来测量这个值，并根据线性dB y轴按比例得出结果。这一测量是在剪切得到、且经过尽可能放大后的曲线上进行的）。图3.5给出了从图3.3和3.4中收集到的信息来推导RO的详细
过程。现在从我们针对RO的公式，我们整理出用ROUT、Aol、和 β给出的RO等式。由这个等式以及我们的数据资料信息，我们计算出OPA353的RO为40Ω。


图 3.3: OPA353 Aol 曲线

图字：OPA353技术规格、开环增益/相位与频率关系曲线、电压增益、相位、频率。


图3.4：OPA353闭环输出阻抗曲线

图字：OPA353技术规格、闭环增益/相位与频率关系曲线、电压增益、相位、频率。


图3.5：OPA353 RO 计算

我们可用图3.1 中用于从RO推导ROUT的运放模型以及从OPA353数据资料中得到的信息来填写模型中的实际值，如图3.6所示。因此我们看到，我们的模型与真实运放的关系怎样。请注意，在这个模型中，我们将VO定义为RO之前运放的输出，并且将VOUT定义为实际的运放输出。当然在真实运放中我们只能得到VOUT，但这个模型以及我们可以真实数据来建立这个模型的事实在稳定性分析当中将会非常有效。


图3.6：利用运放模型来计算OPA353的RO

RO和ROUT要点概述

图3.7 着重强调了RO与ROUT之间的主要差别。图3.8总结了RO的要点。


图3.7；RO比ROUT

图字：
在使用闭环反馈时RO不变
ROUT为RO 、Aol和β控制VO的结果
- 根据补偿VO负载的需要，闭环反馈 (β)迫使VO增大或减小
- 闭环反馈 (β) 增大或减小VO，在VOUT上表现为RO减小
- ROUT随环路增益 (Aolβ) 减小而增大


图3.8：RO关键点

图字：
- RO在运放带宽上为常数
- RO定义为运放的开环输出电阻
- RO是在IOUT=0 安培、f＝1 MHz的情况下测得的（使用未加载RO进行环路稳定性计算，因为它将是最大值→环路
稳定性分析的最坏情况）
- 在进行环路稳定性分析计算β时包含RO