集成运放容性负载的瞬态响应分析及补偿

高华东，扈亦越，王丽雅

（中国航天空气动力技术研究院测控事业部，北京100074）

集成放大电路最初用于各种模拟信号的运算，故被称为运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路种种，因其高性能低价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路[1]。

在运算放大电路设计中，由于容性负载的存在，导致电路出现自激振荡现象。目前，解决运放自激振荡的方法主要是采取电阻补偿。文中建立了运算放大器模型，并通过对放大电路传递函数的分析，提出了补偿措施，并验证了补偿措施的正确性。

1 集成运算放大器模型的建立

集成运放内部电路一般可分为差动输入级、中间放大级和输出级3部分。由于分布电容和寄生电容的存在，集成运放的开环增益会随着频率的提高而降低。大部分集成运放在出厂时厂家已经做了内部主极点补偿，因此集成运放可以等效为一个单极点系统，可由一个惯性环节来描述其开环特性。图1为OP27开环增益与频率关系曲线。

根据OP27开环特性曲线，其开环增益可以由式（1）所示的一阶惯性环节来等效[2]：

其中，主极点fh≈10 Hz。

任何集成运放都有一定的输入和输出阻抗，因此，经过主极点补偿的集成运放可以由输入阻抗、比例放大环节和输出阻抗3部分来描述其特性[3]。其等效模型如图2所示。

图1 OP27开环增益与频率关系曲线

图2 主极点补偿后的运放等效模型

2 容性负载对运算放大器稳定性的影响

在信号传输过程中，由于导线存在寄生电容、对地杂散电容等，放大电路的负载不可能为纯电阻负载，必然会呈现出一定的容性[4]。

图3 同相比例运算放大电路容性负载电路

图3所示的是同相比例放大电路的容性负载电路图[5]，假设负载电阻足够大，由图4得，所示电路的环路增益方程为[6]：

可加，由于容性负载的存在，电路的传递函数增加了一个附加极点fp，为了便于分析，假设，则电路开环增益波特图如图4所示。

图4 运算放大电路环路增益波特图

图5为当Rg无穷大时（电压跟随电路）输入信号为方波时，输出信号效果图。从图中可以看出，由于附加极点的存在，电路出现明显的振铃现象。

图5 输出信号

3 改善放大电路瞬态响应性能的方案

根据以上分析，集成运算放大电路出现过冲和振铃现象的根本原因是容性负载使得放大电路的开环传递函数增加了一个极点，使得相位裕度变小，稳定性变差。增加相位裕度，提高放大电路稳定性可以通过增加零点来抵消附加极点的方式进行。下面介绍两种方案[9-12]。

3.1 环路外补偿

所谓的环路外补偿，是指在放大器输出端与负载电容之间串联一个小电阻Rx，起到增加一个零点的作用。以同相比例放大电路为例进行分析，如图6所示。

图6 环路外补偿电路原理图

该电路的环路增益[13-15]传递函数为：

根据公式（3），可以将运算放大电路开环增益等效为：

反馈通路可以等效为：

可知该电路开环传递函数有一个主极点fh、一个附加极点f′p和一个零点fz。因为：

因此可以作出其波特图如图7所示。

图7 环路外补偿后波特图

补偿后输入方波信号的响应如图8所示。

环路外补偿虽然能满足稳定性要求，但存在以下缺点：

图8 输出信号

零点在附加极点之后，补偿效果比较差；由于补偿电阻RX的存在，增大了输出阻抗，且RX与负载电阻RL形成了分压器，降低了放大电路的增益。因此，环路外补偿仅仅适用于负载确定、CL较小，要求不高的场合。

3.2 环路内补偿

在实际应用中，环路内补偿[16-18]是最常用的补偿方式。其电路原理图如图9所示。

图9 环路内补偿原理图

当RX＜＜RL时，电路环路增益可表示为：

为了便于波特图分析，我们令：

补偿后的环路增益中存在3个极点和两个零点，只要Cf选值合适，附加极点即可与零点相互抵消，附加相移最大为90度，放大电路稳定。根据上述环路增益方程，可以作出其波特图如图10所示。

在实际的电路设计中，为了避开复杂的数学计算，往往可以借助仿真软件或者试验的方法找出Cf最合适的值。输入方波信号的输出响应如图11所示。

图10 环路内补偿波特图

图11 输出信号

4 结论

当放大电路驱动容性负载时，必然会有过冲和振铃现象发生。为了减少过冲和振铃现象的发生，一般会采用补偿的方法，抵消负载电容[19]带来的影响。对于环路外补偿，因为补偿后的零点在极点之后，补偿效果并不好；而环路内补偿，只要参数选择合适可以获得良好的稳定效果。

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