使用低功耗运算放大器进行设计，第 4 部分：稳定性问题和解决方案

本技术文章系列的前三期重点介绍了使用低功率放大器进行设计的好处以及如何最大限度地提高其效率。不幸的是，低功率放大器也需要权衡取舍。在第四部分中，我将考虑低功率放大器设计中最常见的挑战之一——不稳定性——以及如何用一种简单的技术解决这个问题。

大多数运算放大器 (op amp) 应用在负反馈环路中使用放大器，其中输出信号 (OUT) 连接到反相输入 (IN–)。负反馈对于确保输出电压进行调整以使输入保持在相同的电压电平是必要的。这种调整可防止运算放大器的开环增益（通常为 1 V/MV 或 120 dB）将放大器的输出轨控到电源电压之一。因此，负反馈有助于保持放大器的输出稳定且可预测。

不幸的是，简单地将 OUT 反馈到 IN- 不足以确保稳定的负反馈。如果输出信号在返回 IN– 的途中被延迟，则输入引脚上的电压将不匹配。然后，输出电压将过度校正并超过其最终值，以尝试解决问题。这种效应的结果是较长的输出稳定时间。如果延迟变得足够长，则反馈信号将具有足够的相位延迟，使其看起来像正反馈而不是负反馈。结果将是不需要的振荡，如图 1 所示。

图 1：意外的运算放大器不稳定

反馈网络中的大电阻-电容 (RC) 时间常数是造成这种延迟的原因。运算放大器的开环输出阻抗 (R O ) 和放大器的负载电容 (C Load ) 的组合，或大反馈电阻（R F和 R G）与运算放大器的输入电容 (C CM和C Diff )，形成 RC 时间常数。图 2 显示了运算放大器电路中这些组件的示例。请注意，有些元件在运算放大器内部，而另一些在外部。RC 时间常数越大，延迟越长。

图 2：运算放大器不稳定的常见来源

使用低功率运算放大器的电路特别容易受到稳定性问题的影响，因为低功率运算放大器本身具有较大的开环输出阻抗。对于表 1 中的低功耗运算放大器，随着静态电流 (I Q ) 和增益带宽积 (GBW) 的降低，放大器的开环输出阻抗会增加，从而使低功耗器件即使在容性负载较轻的情况下也不稳定. 此外，具有低功耗运算放大器的电路可能会使用大反馈电阻来节省功耗，从而进一步恶化稳定性。

表 1：比较低功耗运算放大器

稳定技术

最常见的稳定方法是隔离电阻 (R iso ) 方法，该方法用于具有容性负载的放大器。这种稳定性技术只需要在反馈环路之后的运算放大器输出端增加一个电阻，而且这个电阻通常不需要太精确。尽管隔离电阻器可能很大并且会导致由电压降引起的输出误差，但大多数低功率电路具有低电流输出。因此，隔离电阻的主要缺点对于低功率运算放大器而言通常不是一个重大问题。

那么 R iso方法是如何工作的呢？输出端的容性负载与放大器的开环输出阻抗相互作用，产生一个 RC 时间常数。该 RC 时间常数在反馈路径中引入了显着延迟。过大的延迟可以有效地将负反馈回路转变为正反馈回路。放置适当大小的 R iso组件（如图 3 所示）可以抵消 RC 时间常数的影响并减少反馈延迟。结果是一个更稳定的电路。TI Precision Labs运算放大器视频系列对这种效应提供了更严格的数学解释。

图 3：改进的运算放大器稳定性

尽管 R iso方法是一种有效的技术，但它并不适用于所有应用。例如，大反馈电阻与放大器输入电容的相互作用有时会导致不稳定。这种相互作用在具有增益的低功率放大器电路中更为常见；将其视为反馈网络中的另一个延迟。为了抵消这种影响，我们可以选择使用大小与放大器输入电容（由共模输入电容 [CCM] 和差模输入之和表示）相似的反馈电容 (C Comp )数据表中的电容 [C Diff ]），从而抵消了由输入电容和反馈电阻形成的时间常数。

图 4：带和不带 C Comp的 20mV 阶跃输入

作为实际考虑，我建议在低功耗运算放大器电路附近的电路板上包括 R iso和 C Comp的印刷电路板 (PCB) 封装以及相应的测试点。这样做可以通过添加组件快速修复稳定性问题，并且比重新设计 PCB 更容易且成本更低。不需要时，我们可以用 0-Ω 电阻器替换 R iso并使 C Comp不填充。

结论

低功耗运算放大器是功率受限应用中的重要组件。不幸的是，这些设备带来了稳定性挑战。使用上述技术，这些困难可以得到缓解，我们可以享受稳健的低功耗运算放大器电路设计所带来的节能效果。