放大器容性负载驱动的参数评估与稳定性改善方法

放大器驱动容性负载,是比较容易引发稳定性问题的电路。本篇将结合仿真讨论放大器自身的容性负载能力，以及针对容性负载驱动能力不足的情况，提供一种依据放大器开环输出阻抗参数补偿容性负载驱动能力，保证电路稳定工作的方法。

1 、容性负载驱动参数定义

先看一个案例，如图 2.110 是一款常见基准源缓冲驱动电路。笔者曾接触到一位工程师使用直流参数极好的 ADA4522-2 作为 ADC 基准源的缓冲器，输出通过电容 C1(10μf)、C2（0.1μf），连接到一款 24bit ∑∆型 ADC 的基准源引脚。工程师反馈基准源的输出非常稳定，但是在 ADA4522 输出存在振荡。

图 2.110 ADA4522 基准源缓冲电路

使用电路仿真，瞬态分析结果如图 2.111，输出振荡范围在 2.486~2.514V，这对于精密采集电路无疑是致命的问题。

图 2.111 ADA4522 基准源缓冲电路瞬态分析结果

笔者建议工程师使用具有容性负载驱动能力的放大器 ADA4807 进行替换，如果将图 2.110 基准源驱动电路中，ADA4522 替换为 ADA4807，电路如图 2.158。

图 2.158 ADA4807 基准源缓冲电路

进行瞬态分析的结果如图 2.159，在 ADA4807 输出直接驱动 10μf 与 0.1uf 电容时，电路输出 2.5V 十分稳定。

图 2.159 ADA4807 基准源缓冲电路瞬态分析结果

导致这种现象的原因是 ADA4807 相比 ADA4522 具有一定的容性负载驱动能力。容性负载驱动能力（Capacitive Load Drive）是指放大器输出驱动容性负载时，对输出信号过冲的抑制能力，通常以百分比表示。

如图 2.160，表示 ADA4807 在增益为 1 倍的电路中，输出驱动 15pf 电容，当输出信号峰峰值为 20mV 时，输出过冲的在 17%以内。

图 2.160 ADA4807 输出特性

通过图 2.161 可以更好的理解这一过程，负载电容为 15pf，输出信号从 -10mV 到+10mV 的阶跃变化，过充电压大约为 3.5mV。

图 2.161 ADA4807 不同容性负载下的小信号瞬态响应

2 、容性负载对稳定性的影响

放大器输出驱动容性负载时，开环输出电阻 Ro 与负载电容 Cload 组成一阶 RC 电路。如图 2.262，新增极点 fp,频率为式 2-93。

其中，开环输出电阻 Ro，近似等于开环输出阻抗。

新增极点 fp 处相位延迟 45°，高于 10 倍 fp 频率的相位延迟 90°。参考《放大器相位裕度与电路稳定性判断方法》，在环路增益为 0dB 时，使用放大器的相位裕度判断电路是否稳定，即是否能直接驱动该容性负载。

图 2.162 放大器开环输出阻抗驱动电容负载电路图

如图 2.163（a），以 ADA4625-1 为例的环路增益仿真电路，根据上一篇《放大器输出阻抗的参数计算与仿真》可知 ADA4625-1 开环输出电阻 Ro 约为 28.96Ω，当电路输出直接驱动 1uf 容性负载时，由式 2-93 计算新增极点频率约为 5.495KHz。另外，使用 ADA4625 输出驱动纯电阻电路进行对比，如图 2.163（b）。

图 2.163 ADA4625 驱动容性负载与阻性负载电路

AC 分析结果如图 2.164，ADA4625 驱动纯阻性负载电路的环路增益为 V(fb1)/V(in1)曲线，在 30.1KHz 处，V(fb1)/V(in1)曲线为 53.118dB；在 301.74KHz 处，V(fb1)/V(in1)曲线为 32.904dB,频率增益十倍增益衰减接近 20dB。V(fb1)/V(in1)曲线波特图为 0dB 时对应的相位裕度为 69.462°，判定电路输出稳定。

图 2.164 ADA4625 驱动容性负载与阻性负载的环路增益波特图 AC 分析结果

ADA4625 驱动容性负载电路的环路增益为 V(fb)/V(in)曲线，与 V(fb1)/V(in1)曲线的幅频特性在低频范围内重合。在 6.9KHz 处 V(fb1)/V(in1)曲线与 V(fb)/V(in)曲线的增益相差 3dB，另外在 6.9KHz 前后 20 倍频率内 V(fb)/V(in)曲线相位延迟 90°，即 ADA4625-1 的 Ro 与 Cload 组成的极点频率为 6.9KHz。在 30.1KHz 处，V(fb)/V(in)曲线的增益为 39.785dB。在 301.74KHz 处，V(fb)/V(in)曲线的增益为 0dB,频率增加十倍增益衰减接近 40dB。V(fb)/V(in)曲线在波特图 0dB 处，对应相位裕度为 1.075°，判断电路不稳定。