运放稳定性连载6：RO与ROUT（1）

RO与SPICE仿真

在图3.9中，我们给出了用于OPA353的简单AC SPICE模型。这里我们使用我们计算出来的40Ω的RO。注意，为了在这里使用SPICE环路增益测试进行AC稳定性分析，我们断开了环路。环路断开是在RO和VO之间进行的，以便分析RO对1/β的影响。在分析由运放驱动的容性负载的情况下，这是极其重要的（这个主体将在本系列文章的第7和第8部分中详细介绍）。


图3.9：带RO的简单交流SPICE模型

图字：简单交流SPICE模型OPA353、SPICE环路增益测试－断开VO 与RO之间的环路

对于给定现有厂商的运放SPICE模型，我们可方便地增加一个外部RO，从而在我们用SPICE环路增益测试来找出1/β时，我们能包含进RO的影响。在如图3.10 所示经过改造的RO SPICE宏模型中，我们增加了一个增益等于1的可控电压电压源（VCVS）VO。这能将运放的输出与任何内部RO隔开，内部RO是由与VOA连接的所有元件内部模拟的。现在我们可以在VCVS（VO）后面加上我们自己的RO，并且断开VO与RO之间的环路，其中在分析容性负载及其对1/β的影响时，希望RO包含RO的影响。


图 3.10： 改造后的RO SPICE宏模型

图字：改造后的RO SPICE模型OPA353、U1为Mfr SPICE模型、加入VO(VCVS w/G=1)和新的RO、使SPICE 环路增益
测试1/β曲线包含RO的影响。
单电源运放的真实RO
图3.11列出了一些针对很多单电源运放的实测RO。请注意，我们分析得出RO=40Ω 的OPA353测量值为44Ω。fects of RO这一接近的相互关系是因为我们所使用的从厂商数据资料中得到的数据也同样是对典型元件进行测量得出的数据！


图 3.11: 某些单电源运放的真实RO

RO的实测技术

如果我们没有任何厂商提供的RO指标而我们又想知道，那我们该怎么办？有两种真实的测量技术可用来测量RO。每种方法都是从察看开环增益/相位曲线与频率的关系曲线开始。图3.12给出了OPA364的这一曲线，OPA364为宽带（UGBW=7MHz、SR=5V/uS、Settle to 0.1%=1.5us）CMOS、单电源（1.8V 至 5.5V）、RRIO （轨至轨输入和输出）运放，它具有“在共模范围内的线性偏移”。如果我们选择以增益100和1 MHz频率来对此运放进行测试，那么将不会有环路增益Aolβ。因此，如果我们在这些条件下测量ROUT，我们实际上将得到RO值。


图3.12：测量RO的技巧

图字：采用ACL=40dB、在fRO上ROUT＝RO，因为没有环路增益 (Aolβ) 来减小RO
OPA364 Aol w/数据资料负载、增益、频率

图3.13所示的测试电路显示实际测量RO的一种方法。这种方法我们称其为RO激励法。这里OPA364的输出通过交流耦合电容C1进行激励。这是为了确保不会因任何直流电流使放大器负担过重。大多数运放的RO会随激励它们的电流增大而变小。我们想要在RO具有最大值的情况下测量RO（该最大值将会引起交流稳定性分析中的大多数问题）。按照此项技术，对放大器输出端的电压VO进行测量。而且还要测量交流耦合电容C1与限流电阻R3接点处的电VTest。计算进入运放输出端的电流并用该电流来除以运放的电压，以给出测得的RO值。请注意，虽然OPA364为单电源运放（1.8V到5.5V），但我们可以想办法让它工作在+2.5V和-2.5V上，以避免输入或输出信号产生更复杂的电平移位。

注意：在“激励法”中使用的所有的测量值都必须是没有任何直流分量的交流电压。如果有谁使用TINA SPICE中的交流分析/计算节点电压，他将会得到在节点上读取的rms电压，该电压包括电路中的直流电压（即，涉及输出的偏移）。如果与交流电压分量相比，该偏移电压很明显，则可能计算出错误的RO。在图3.13中，我们虽采用了交流分析/计算节点电压，但VOA上的直流偏移大约为87.63μV，相比于34.87mV和353.55mV的rms值，还是交流电压分量占优势。

图3.14和图3.15所示测试电路显示另一种实际测量RO的方法。该方法先获取在运放加载和不加载情况下的电压读数，然后再计算RO。对于我们的测量，我们仍然需要使用高频率和高增益组合来确保没有环路增益减小ROUT。在这种结构中，向运放输入端输入较小的交流信号。反相或正相增益将会起作用。在图3.14中，我们测量VOUT，即未加载电压。请注意，这是一个较小输出电压值，因此当我们对其加载时，我们不会拉出很大的电流，因为我们正在寻求的是未加载（因而是最高）RO值。

注意：在“负载法”中所使用的所有测量值都必须是没有任何直流分量的交流电压。如果有谁使用TINA SPICE中的AC分析/计算节点电压，则他会得到在节点上读取的rms电压，该电压包括电路中的直流电压（即，涉及输出的偏移）。如果与交流电压分量相比，该偏移电压比较明显，则将计算出错误的RO！


图 3.14： 测量RO的负载法, VOUT未加载

在图3.15 中，我们测量将RL 连接到运放输出端时的VOUT 加载值VOUTL。注意，RL 值为是多大，以不会造成大电流流入或流出运放输出端为准。


图 3.15：测量RO的负载法, VOUT加载

现在我们完成了对RO的负载法测量，进行简单的计算即可得到RO值。无论是否存在负载RL，未加载值VOUT总是为VO。由此我们可创建图3.16中的最终模型。经检查，IOUT正好为VOUTL / RL。RO上的压降为VOUTVOUTL。RO上的压降除以电流，即得出如这张幻灯片中所示的RO值。请注意，这种方法得出RO=108.2Ω，而RO激励法得出的则是RO=109.42Ω。对于测量真实的RO ，两种方法都是可以接受的。


图3.16: 测量RO负载法计算过程

图字：OPA364 RO计算、将1) 代入2) 并求解RO

参考文献：

Frederiksen，Thomas M. ，“直观运放，从基础到应用”，修订版，McGraw-Hill 出版公司，纽约，1988 年。