广告

如何确保电流反馈放大器的稳定性?

2021-02-23 Tom Kugelstadt 阅读:
如何确保电流反馈放大器的稳定性?
由于高增益峰值及其他各种原因,电流反馈(CFB)放大器可能变得不稳定、出现极端情况甚至进入振荡状态。本文介绍了如何确保放大器稳定性的设计技巧,包括须知与禁忌,无需深入研究基本数学原理即可设计出稳定的放大器电路。

由于高增益峰值及其他各种原因,电流反馈(CFB)放大器可能变的不稳定、出现极端情况甚至进入振荡状态。 放大器不稳定的原因有两个,反馈电阻值过低以及引入对地的寄生输入、输出电容。小电容会导致放大器的频率响应在高频时达到峰值,同时高电容值会迫使器件进入自持振荡,忽略任何输入信号的激励。okbednc

本文将介绍如何确保放大器稳定性的设计技巧,包括须知与禁忌,无需深入研究基本数学原理即可设计出稳定的放大器电路。okbednc

最大限度降低寄生电容对放大器稳定性影响的方法主要有三种:okbednc

  1. 良好的布线技术,以最大限度减少寄生电路板和探头电容。
  2. 使用CFB放大器厂商规定的反馈和增益电阻值,保证提供足够的相位裕度以承受较小的寄生电容。
  3. 利用补偿技术,最大限度降低频率响应峰值和脉冲响应过冲。

电路板布线技巧

优化电路性能,使CFB放大器效果达到最佳,需特别注意:电路板布线寄生、外部元件类型和电阻值。以下建议有助于优化电路性能(参考图1和图2):okbednc

  • 使用去耦电容对电源引脚进行低频和高频缓冲。对于高频,并联使用100nF和100pF电容,并将它们安置在距离电源引脚不到6mm的位置。对于低频,使用6.8μF钽电容,可距离放大器更远,并允许在其它设备间共享。避免使用窄电源和接地走线,尽量减少走线电感,特别是电源引脚和去耦电容间的走线电感。
  • 由于放大器的输出和反相输入引脚对寄生电容最敏感,因此将输出电阻RS(如需要)靠近输出引脚处,反馈和增益电阻(RF和RG)靠近反相输入,将各自引脚与所有走线电容隔离。
  • 在非反相输入处增加RIN和CIN占位符,以补偿由反相输入端的寄生电容(CPI)引起的增益峰值。
  • 确定是否需要输出隔离电阻。低寄生电容负载(<5pF)通常不需要RS。此外,更高的寄生输出电容可在没有RS的情况下驱动,但需要更高的闭环增益设置。
  • 保持输入和输出引脚周围无接地层和无电源层的区域,尽量减轻交流接地相关电容的积聚。在电路板的其它地方,接地层和电源层应保持完好。
  • 通过100Ω电阻将每个测试点连接到要测量的走线,并隔离探针电容示波器与信号走线。

okbednc

图1:具备寄生电容和补偿元件RS、RIN及CIN 的CFB放大器。okbednc

okbednc

图2:无接地窗口的双层PCB推荐布线。okbednc

使用既定RF

CFB放大器厂商通常指定多个RF值,每个RF值对应不同的增益设置。使用推荐的电阻值可确保最佳性能,而不会带来(或造成很小幅度的)峰值增益或带宽损失;偏离这些值则会改变放大器性能。图3中显示了在信号增益为2时使用不同RF值的情况,可见,当指定值RF=1.1kΩ时达到最佳性能。但当RF提高至1.5kΩ时,出现带宽损失,而当RF降低到600Ω时,会产生增益峰值(图4)。okbednc

因此,要获得最佳性能,请遵循厂商建议的RF值。okbednc

okbednc

图3:使用数据表中指定的RF值可确保最佳性能。okbednc

okbednc

图4:偏离指定的RF值会导致增益达到峰值或降低带宽。okbednc

补偿寄生电容的影响

为区分输入端(CPI)和输出端(CPO)的寄生电容,可进行脉冲响应测试。CPI通常小于CPO,并会导致短暂信号过冲;而CPO通常会造成信号振铃现象延长(图5)。当然,若CPI > CPO,情况则会反转;然而这种情况很少发生。okbednc

okbednc

图5:CPI引起的信号过冲与CPO导致的信号振铃现象。okbednc

寄生输入电容CPI

反相输入端(CPI)的寄生电容通常较小(0.5至5pF),由布线杂散电容和表面贴装电阻RG的固有分流电容组成。CPI、RF、RG共同在放大器反馈路径中形成低通特性,在放大器传递函数VO/VI中转换为高通特性。okbednc

这种高通特性可在非反相放大器输入端用R-C低通滤波器进行补偿。为此,非反相输入端的输入电容须与反相输入端的寄生电容相匹配(CIN = CPI),且RIN值必须等于反馈和增益电阻的并联值(RIN = RF||RG)。okbednc

okbednc

      图6:通过RIN-CIN消除增益峰值。                              okbednc

okbednc

图7:通过RIN-CIN减少过冲。okbednc

图6和图7显示了图1中电路的频率和脉冲响应。当放大器以G=2运行时,其中R= RG为厂商规定的最佳性能电阻值。图6和图7中的其它观察结果包括:okbednc

  • 当CPI = 0时,黑色曲线所示的频率和脉冲响应既未出现增益峰值也未出现过冲。对于10MHz的±100mV测试输入,标称增益为6dB,脉冲幅度为±200mV。
  • 当CPI = 5pF时,红色曲线所示的频率和脉冲响应显示增益峰值接近21dB,过冲为±1V。
  • 在补偿情况下(蓝色曲线),当CIN = CPI = 5pF ,且RIN = RF||RG = RF/2时,频率和脉冲响应分别显示增益峰值和过冲降低至0.5dB和±45mV。

寄生输出电容CPO

放大器输出端(CPO)寄生电容还包含布线杂散电容,但大部分通常来自较大的负载电容,例如瞬态抑制器和电流导引二极管的结电容、电缆电容,模数转换器及其它放大器的输入电容。因此,CPO的总值可低至20pF,也可能达到几个100pF。okbednc

综上所述,通常较小的寄生输出电容对传递函数几乎没有影响,但较大的CPO值会导致高增益峰值,并且脉冲响应会延长振铃。图8和图9显示了输出电容为20pF的影响,其增益峰值小于1dB,且仅出现低于30mV的小过冲。若需要补偿CPO,则稍微提高RF、RG值即可。okbednc

okbednc

图8:利用较高RF值补偿较小CPO值。okbednc

okbednc

图9:补偿结果显示几乎无法区分的脉冲响应。okbednc

与此相反,补偿较大的输出电容十分必要。图10和图11显示了在未进行补偿的情况下,传递函数达到约15dB的增益峰值,且CPO为500pF时(红色曲线)脉冲响应中的长时间信号振铃。即使提高RF、RG电阻值,改善效果也十分有限(蓝色曲线)。不过,安置串联电阻(RS)可将放大器输出与容性负载隔离(参见图1电路)。在此模拟中,需要一个仅为3.9Ω的小RS值将增益峰降至0.5dB以下,同时将信号过冲从±400mV降低到±50mV。okbednc

okbednc

图10:高CPO值需要额外的隔离电阻RS          okbednc

okbednc

 图11:通过RS补偿显著改善脉冲响应。okbednc

结论

本文中重点探讨的设计以确保放大器的稳定性,总结如下:okbednc

  • 应用良好的布线技术将寄生电容降至最低
  • 使用6.8μF、100nF和100pF电容器为电源电压提供低频和高频缓冲
  • 在测试点和待测量走线间插入100Ω电阻,隔离探针电容与信号走线
  • 使用数据表中指定的电阻值
  • 进行初始脉冲响应测试,以区分寄生输入和输出电容
  • 通过R-C低通滤波器补偿非反相信号输入端的寄生输入电容
  • 提高RF和RG值,补偿较小寄生输出电容
  • 插入低值隔离电阻RS,补偿较大的寄生输出电容

 okbednc

 参考资料okbednc

1. AN1306,如何规避轨到轨CMOS放大器的不稳定性,2007年9月okbednc

2. AN9663,从电压反馈转换为电流反馈放大器,2006年3月okbednc

3. AN9420,电流反馈放大器理论与应用,1995年4月okbednc

4. AN9787,一种了解电流反馈放大器的直观方法,2004年10月okbednc

5. AN1106,实际电流反馈放大器设计参考,1998年3月okbednc

 okbednc

关于作者okbednc

Tom Kugelstadt是瑞萨电子(美国)公司首席应用工程师,为工业系统定义了新的高性能模拟产品。他拥有法兰克福应用科学大学硕士学位,在模拟电路设计领域有超过35年经验。okbednc

(原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站,参考链接:Keeping current feedback amplifiers stable。)okbednc

责编:Jenny Liaookbednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:艾为触觉反馈驱动AW AW86224是一款具有F0检测与追踪,内置SRAM波形空间,低功耗、小尺寸的常压线性马达驱动IC
  • 泰克在其屡获大奖的高性能示波器中增加5G功能 工程师可以使用最新5G软件,在一台示波器上诊断复杂的信号交互,减少麻烦的仪器之间关联需求。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:低压高速比较器GS87 低功耗超高速GS8743系列比较器,集成了内部迟滞,优化的系统供电范围。具有快速响应、低功耗、低输入失调电压和轨对轨输入输出等特点。内部输入迟滞消除了由于外部输入噪声电压造成的输出切换,工作温度范围为-40℃至+85℃。GS8743系列比较器工作电压为2.7到5.5V,最大输入失调电压为5mV,每通道静态电流为1.3mA,响应时间为6ns。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:车规级数字通讯隔离 Chipways汽车级电池组隔离器XL8820系列产品是同时满足AEC-Q100汽车可靠性标准和ISO 26262汽车功能安全标准的车规级隔离式通讯接口芯片。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:数字隔离器Pai122M3 荣湃数字隔离器产品采用自主知识产权的智能分压技术开发设计而成,相比同类隔离产品,该专利技术可以实现更低的功耗,更高的速率和更优的时序特性。智能分压技术相比传统隔离传输技术,采用更简洁的电路架构实现更优的隔离传输性能,采用智能分压锁存放大模块电路,替代传统架构中的高频发生电路,高频调制电路和高频解调三部分电路,因此芯片面积只有传统架构芯片面积的1/2~1/3。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:PD Sink/快充受电端 慧能泰HUSB238采用极简的USB PD Sink解决方案,旨在将传统的桶形连接器和DC插座轻松的替换成现在最流行的USB Type-C接口。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:次级控制反激PWM控 SC300x系列产品为次级控制反激PWM控制器,支持CCM/QR/DCM工作模式,其具备自适应开关频率折返功能,在整个负载的范围内获得更高的效率;IC集成自适应过流保护功能,可满足LPS(Limited Power Source)要求;各项性能均领先于同行业。
  • VIAVI携手罗德与施瓦茨推出O-RAN无线单元一致性测试解 O-RU测试管理器结合双方的测试解决方案,提供统一的用户体验
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:基于CMOS+MEMS技术 以下5项维度,向电子工程师和评审专家详细介绍中科银河芯的温湿度传感器芯片产品的技术创新情况。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:多模无线连接智能语 BL606P是博流即将推出的新产品,具有以下特点:单天线集成WI-FI、BLE、BT、Zigbee、Thread等多模无线协议,其集成度属于行业首款;集成双核RISC-V,集成AI语音以及麦克风阵列语音Codec,以及支持彩屏显示;支持最新的Matter协议,包括设备和网关
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:炬芯科技蓝牙收发一 炬芯科技ATS2831采用蓝牙5.3双模配置,支持最新的蓝牙标准,集成了蓝牙射频(RF)和基带、电源管理单元(PMU)、音频编解码器及微控制单元(MCU)等模块,集蓝牙发射和蓝牙接收功能于一体,规格完整,性能领先。发射支持双连(同时连接两个蓝牙音箱或蓝牙耳机),支持linein、USB 、SPDIF(光纤或同轴)、I2S、MIC、SD/MMC、SPI等多种音频输入源,支持全格式音频解码,支持屏显,兼容市面主流蓝牙音箱和蓝牙耳机,支持AG 16K高清通话,兼容win7/10/MAC等多种主流操作系统和主流通话软件,HFP通话端到端(dongle到音箱整个链路)延时低至60ms,经典蓝牙模式下端到端整个链路延时可以低至30ms以下,处于业界领先水平。支持双向高清语音同时传输。已大量应用于蓝牙收发一体dongle,电竞耳机,游戏机dongle,会议音箱dongle,话务耳机dongle和无线麦克风相关产品,并被绿联,安可创新等知名品牌采用。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:炬芯科技蓝牙耳穿戴 ATS3019E支持蓝牙5.3双模配置,发射功率最高达11dBm,接收灵敏度-96dBm,有效地提升了音频连接的稳定性。在常规音频播放的情况下空载功耗低至5.xmA,同时支持低延时模式。ATS3019E搭载双麦ENC算法(环境噪声消除技术),大幅提升了终端用户的通话体验。是目前市场上针对品牌客户标准版产品具有竞争力的解决方案。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了