运算放大器的稳定性(九)：电容负载稳定性（上）

本系列文章的第 9 部分是大家熟悉的电子工程的第 5 章——“保持电容负载稳定性的六种方法”。这六种方法包括：Riso、高增益及 CF、噪声增益、噪声增益及CF、输出引脚补偿以及带双向反馈的 Riso。我们将在本部分介绍输出引脚补偿。这种保持电容负载稳定性方法不同于输出运算放大器“缓冲”网络，输出运算放大器“缓冲”网络通常用于功率运算放大器（带有所有 NPN 输出级）输出，其目的是在驱动电容负载时防止意外高频振荡。本系列文章的后面章节将详细介绍“缓冲”网络的使用情况。

有时，在现实生活中，我们并非总能够接近运算放大器的 -输入和/或 +输入，因此无法在模拟工具栏中使用其他补偿方法。我们将会在本部分探讨用于发射极跟随器输出运算放大器及 CMOS RRO 运算放大器的输出引脚补偿方法。发射极跟随器应用需要在独特的 4～20mA 构建块集成电路上采用一个参考输出。CMOS RRO 应用涉及一种用于电源反馈的差动放大器。这两种依范例定义的情况都属于现实应用。为此，我们可以断定唯一的保持电容负载稳定性的方法只能是输出引脚补偿。除了一阶分析与 TINA Spice 模拟之外，我们还可以利用“预测”结果来进行实际实施。

双极性发射极跟随器：输出引脚补偿

我们的双极性发射极跟随器输出引脚补偿实例如图 9.1 所示。XTR115/XT116 是一种可以将输入电压变化转换成 4～20mA 模拟信号的双线4～20mA 集成电路。由于 4～20mA 发送器用于驱动长距离线路，因此需要 7.5～36V 的大工作电压范围。此外，XTR115/XTR116 配有子稳压器，可为传感器调节电路提供 5V 的供电电压，以及 2.5V（XTR115）或 4.096V（XTR116）的高精度参考电压。

4～20mA 信号范围是既定的行业标准，用于工厂（普遍存在 50 或 60Hz 高电压噪声）等嘈杂环境中长距离（1 英里或 1.6 公里以上）模拟信号的传输。由于该标准是采用电流控制的传输，因此使用两条线路可以避免电压噪声耦合。它采用两条相同的线路来传输功率与信号。由于使用的模拟信号范围规定为 4～20mA，因此其中 4mA 的信号可驱动信号调节电路并触发两条线路发送器端的传感器。功率由接收机提供，而接收机同时还能接收 4～20mA 的模拟信号，该信号已根据传感器测量的实际参数（如：桥接压力传感器发送的压力）进行了分级。4～20mA 信号在接收机端通常由 A/D 转换器转换为1V～5V的电阻器（250 欧姆）电压。

通常在此类 4～20mA 传感器发送器中采用微控制器读取并将线性常数应用到实际传感器中。微控制器必须是低功耗控制器，以便允许某些电流触发传感器，原因是我们的总调节电路电流预算必须低于 4mA。MSP430F2003 提供一种低电压、低静态电流微控制器。该微控制器具有一个用于读取桥接变化的板上 ADC。在微控制器应用了线性常数之后，即与 DAC8832（一款用于生成 XTR115/XTR116 所需模拟输入电压的低功耗 DAC）进行通信。DAC8832 由一种零漂移、低功耗、单电源的运算放大器（OPA333）进行缓冲。由于我们的系统是一套完美的系统，因此可驱动任何器件，其中包括XTR115/XTR116 的精确VREF 引脚。我们之所以选择 XTR115 (2.5V VREF) 是因为 MSP430F2003 只能在 1.8V～3.3V 范围内工作。目前 MSP4302003 的板上 ADC 以及 DAC8832 将采用 XTR115 高精度 2.5V 参考电压。我们的典型总调节电路静态电流为 562uA，可以保留 3.4mA 的电流用于触发桥接传感器。目前我们唯一的难题是需要添加许多本地旁路电容器，以便在 XTR115 的 VREF 引脚驱动的众多集成电路附近实现良好的高频旁路。XTR115 VREF 引脚是否稳定？

图 9.1：4-20mA 桥接传感器应用

图 9.2 详细说明了 4～20mA 桥接传感器信号调节器应用中采用的集成电路的主要规格。

XTR115 VREF 引脚是图 9.3 所示的发射极跟随器输出拓扑运算放大器的输出引脚。

图 9.3：XTR115 VREF 引脚：发射极跟随器输出运算放大器

图 9.4 显示了 XTR11 VREF 引脚的等效示意图。VREF是缓冲的 1.25V 带隙参考电压，经过 2 倍放大后产生 XTR115 2.5V 参考输出电压。发射极跟随器输出级的 Ro 为 4.7k 欧姆。我们是从工厂获得上述信息、RF 与 RI 值以及 U1 的 Aol 曲线的，因为 XTR115 的产品说明书并未详细介绍所有资料。我们的总电容负载 CL 为 500nF。Ro 与 CL 互动，形成 XTR115 VREF 运算放大器的 Aol 修正曲线中的第二个极，即 fpu1。请注意：我们无法接入 U1 的 -