运放稳定性连载20：电容性负载的稳定性——具有双通道反馈的RISO(1)

作者：德州仪器 (TI) 线性应用工程经理Tim Green

本系列的第10部分是我们所熟悉的《电气工程》杂志 (Electrical Engineering) 中《保持电容性负载稳定的六种方法》栏目的第六种方法（也是最后一种方法）。这六种方法包括Riso、高增益和CF、噪声增益和CF、输出引脚补偿以及具有双通道反馈的RISO。在第10部分中，我们将阐述具有双通道反馈的RISO。

这种拓扑结构通常用于缓冲高精度参考集成电路。作为一种电压缓冲器，运算放大器电路可提供较高的源电流和吸收电流，这两种电流最初均来自高精度参考集成电路。虽然，我们特别关注其中一种电路增益——电压跟随器电路增益，但是，当增益大于1时（只对所提供的计算公式做稍微调整），我们仍可以采用具有双通道反馈的 RISO。在此我们将重点讲述两种最主要的运算放大器拓扑结构，即双极发射极跟随器以及CMOS RRO。分析和合成的步骤和技术相类似，但是，仍存在细微的差别，这些细微的差别足以确保观察到各种不同的输出拓扑结构。为了获得一种意外的收获，我们有意不遵循经以往的历史经验，并创建BIG NOT以检测不适当稳定性补偿的效果。

从稳定性分析工具套件中，我们可以看到，具有双通道反馈的RISO技术由一阶分析得出，经Tina SPICE环路稳定性仿真确认，并由Tina SPICE中的Vout/Vin AC传输函数分析进行检验，最后采用Tina SPICE中的实际瞬态稳定性测试方法进行全面的检验。在过去长达25年中，我们在真实环境以及实际的电路情况下进行了测算，充分验证了这种电容稳定性技术。然而，由于资源的限制，本文所述电路并未进行实际构建，在此仅供读者练习或在自身特定的技术应用（如分析、合成、仿真、构建以及测试等）中使用。

双极发射极跟随器：具有双通道反馈的RISO

我们选择用于分析具有双通道反馈的RISO的双极发射极跟随器为OPA177，具体情况请参阅图10.1。OPA177为一款低漂移、低输入失调电压运算放大器，其能在±3V ～±15V的电压范围内工作。


图 10.1 双极发射极跟随器运算放大器的技术规范

图10.2显示了一款典型的双极发射极跟随器的拓扑结构。请注意，用于Vo的正负输出驱动均为双极发射极跟随器。目前，包含“等效电路图”（表明运算放大器内部所用输出级的拓扑结构）的产品说明书并不多见。为此，只能通过厂商的内部资料，我们才能确切了解输出级的结构。


图 10.2 典型双极发射极跟随器运算放大器的拓扑结构

我们用于分析双极发射极跟随器的具有双通道反馈的RISO电路如图10.3所示。FB#1通过RF直接向负载 (CL) 提供反馈，从而促使Vout与VREF相等。FB#2通过CF提供了第二条反馈通道（在高频率时占支配地位），从而确保了运行的稳定性。Riso将FB#1和FB#2相互之间隔离开来。需要注意的是，在目前用于稳定电容性负载的许多技术中，我们采用了经改进的Aol方法（当采用这种方法时，运算放大器的输出阻抗和电容性负载改变了运算放大器的Aol曲线）。
在改变后的Aol曲线中，我们在图上标出1/β，这将有助于电路的稳定运行。当采用具有双通道反馈的RISO时，我们发现，更易于维持运算放大器 Aol 曲线不变并在图上标出FB#1 1/β和FB#2 1/β曲线。于是，我们将运用叠加的方法，来获得一条最终 (net) 的1/Βετα曲线，这样，当在运算放大器的Aol曲线上进行标绘时，我们就能够轻松地生成一款针对这种电容性负载稳定性问题的解决方案。


图 10.3 具有双通道反馈的RISO：发射极跟随器

一旦我们选择了运算放大器，如图10.4所示的Aol测试电路就为开展稳定性分析提供了前提基础。Aol曲线可从产品说明书中获取，或者从如图所示的Tina SPICE仿真中测量得出。Aol测试电路采用双电源供电，即使Vout近乎为零伏，我们仍可测量空载时的Aol曲线，而且输入共模电压的要求易于满足。R2和R1以及LT为低通滤波器函数提供了一条AC通道，从而允许我们在反馈通道中进行DC短路和AC开路操作。务必提请注意的是，在进行AC分析前，SPICE必须开展DC闭环分析，以找到电路的工作点。另外，R2和R1以及CT为高通滤波器函数提供了一条AC通道，这样，使得我们能将DC开路和AC短路一起并入输入端。LT和CT按大数值等级选用，以确保其在各种相关的 AC 频率时，电路短路和开路情况下的正常运行。


图 10.4 Aol测试示意图：发射极跟随器

从Tina SPICE仿真测量得出的OPA177 Aol曲线如图10.5所示。测量得出的单位增益带宽为607.2kHz。


图 10.5 Aol测试结果：发射极跟随器