我的全差分电压反馈型放大器的稳定性似乎受反馈电阻值很大影响—RF/RG比始终正确,到底发生了什么?

问题:

为什么我的全差分和电压反馈放大器的稳定性收到反馈电阻的很大影响?

RAQ:  Issue 122

答案:

信号需要增益时,放大器是首选组件。对于电压反馈型和全差分放大器,反馈和增益电阻之比RF/RG决定增益。一定比率设定后,下一步是选择RF或RG的值。RF的选择可能影响放大器的稳定性。

放大器的内部输入电容可在数据手册规格表中找到,其与RF交互以形成传递函数中的一个极点。如果RF极大,此极点将影响稳定性。如果极点发生的频率远高于交越频率,则不会影响稳定性。不过,如果通过f = 1/(2πRFCin,amp)确定的极点位置出现在交越频率附近,相位裕量将减小,可能导致不稳定。

图1的示例显示小信号闭环增益与 ADA4807-1电压反馈型放大器频率响应的实验室结果,采用同相增益为2的配置,反馈电阻为499 Ω、1 kΩ和10 kΩ。数据手册建议RF值为499 Ω。

小信号频率响应中的峰化程度表示不稳定性。RF从499 Ω增加至1 kΩ可稍微增加峰化。这意味着RF为1 kΩ的放大器具有充足的相位裕量,且较稳定。RF为10 kΩ时则不同。高等级的峰化意味着不稳定性(振荡),因此不建议。

RAQ Issue 122: Figure 1. Lab results using different feedback resistors

图1.使用不同反馈电阻的实验室结果。VS = ±5 V,
VOUT = 40 mV p-p,RLOAD = 1 kΩ,针对499 Ω、1 kΩ和10 kΩ的RF 值

RAQ Issue 122: Figure 2. Simulation results using the ADA4807 SPICE model

图2.使用ADA4807 SPICE模型的模拟结果。
VS = ±5 V,G = 2,RLOAD = 1 kΩ,针对499 Ω、1 kΩ和10 kΩ的RF值。

在实验室中验证电路不是检验潜在不稳定性的强制步骤。图3显示使用SPICE模型的模拟结果,采用相同的RF值499 Ω、1 kΩ和10 kΩ。结果与图1一致。图3显示了时域内的不稳定性。通过在RF两端放置反馈电容给传递函数添加零点,可以去除图4所示的不稳定性。

RAQ Issue 122: Figure 3. Pulse response simulation results using the ADA4807 SPICE model

图3.使用ADA4807 SPICE模型的脉冲响应模拟结果。
VS = ±5 V,G = 2,RLOAD = 1 kΩ,针对499 Ω、1 kΩ和10 kΩ的RF值

RAQ Issue 122: Figure 4. Pulse response simulation results with a 3.3 pF feedback capacitor,

图4.脉冲响应仿真结果,
使用3.3 pF反馈电容CF。
VS = ±5 V, G = 2, RF = 10 kΩ , RLOAD = 1 kΩ。

RF的选择存在权衡,即功耗、带宽和稳定性。如果功耗很重要,且数据手册建议反馈值无法使用,或需要更高的RF值,可选择与RF并联放置反馈电容。此选择产生较低的带宽。

为电压反馈型和全差分放大器选择RF时,需要考虑系统要求。如果速度不重要,反馈电容有助于稳定较大的RF值。如果速度很重要,建议使用数据手册中推荐的RF值。忽略RF与稳定性、带宽和功率的关系可能妨碍系统,甚至阻碍系统实现完整性能。

作者

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Tina Collins

Tina Collins是马萨诸塞州威明顿市线性产品和技术部门的应用工程师。她的主要兴趣是高速放大器的模拟和混合信号设计。Tina于2001年加入ADI。2013年成为应用工程师前,她主要从事高速放大器的开发和测试。Tina于2001年获得佛罗里达大学电气工程学士学位,2010年获得东北大学电气工程硕士学位。