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(多图) 详解运放及其补偿技术

Pankaj Kataria?? 2014年03月26日 ?? 收藏3

超前滞后补偿:实现

根据参考文献给出的超前滞后补偿电路如图3A所示。出于实用和简单的目的,假设未补偿运放有两个固有极点:主极点(fp,dom)和第一个非主要极点(fp,nondom)。图3B显示了开环增益幅度图,其中实线代表未补偿运放的情况,显示出了运放本身的固有拐点。

图3A:针对反相配置的典型超前滞后补偿。图3B:针对超前滞后补偿的开环增益幅度图。
图3A:针对反相配置的典型超前滞后补偿。
图3B:针对超前滞后补偿的开环增益幅度图。

通过引入超前滞后补偿而引入了一个极点(f'p,dom)和一个零点(fz),引入的极点(f'p,dom)变成了新的主极点,引入的零点(fz)基本上抵消了运放的固有主极点(fp,dom),虽然图3B显示的是fz和fp,dom之间完美的抵消。这样文献中所示的对应(错误的)图应该可以理解了。与许多其它补偿技术一样,超前滞后补偿的一个明显优势是,所形成的主极点和非主极点之间的间距增加了,从而增强了稳定性。然而有人可能会问为何不是只执行超前补偿,用补偿网络引入的零点抵消运放固有的第一个非主要极点。

一个众所周知的原因是,超前补偿明显会产生带宽限制,而超前滞后补偿不会。为什么超前滞后补偿不会限制带宽呢?如果从开环增益曲线看全部可见的话,这个问题的答案不是很明确。有人也许通过分析闭环放大过程可以得到答案。针对超前滞后补偿情况,另一篇文献很好地提出了闭环增益计算公式,但这里对这种技术为何不会限制带宽给出了一种直观的解释,虽然利用了一些简单的数学方法。

在图1所示的两个放大器配置中,运放的负输入端是负反馈点,因此只要在感兴趣频率点的开环增益幅度足够大,这就是一个非常低的增量阻抗节点,也称为虚地。所以将信号源电压转换为等效输入信号电流、然后乘上反馈电阻值(RF)得到纯输出电压(YINV)是有意义的,如图4所示。

图4:图3A的戴维宁等效电路。
图4:图3A的戴维宁等效电路。

完成这种转换的一种流行方法是通过戴维宁等效网络。图4显示了图3A的戴维宁等效电路。在图3A中,假设运放及其反馈网络不存在,换句话说去除了负载,然后考虑在以前连接的运放负输入端处来自输入源(XINV)的贡献。这种贡献可以被称作戴维宁等效电压(VTH),它的幅度随频率增加而减小,因为当频率增加时补偿电容的阻抗会减小。

与此同时,由于补偿电容的作用,戴维宁等效串联阻抗(ZTH)受相同方式的影响。因此流向运放负输入端(虚地)的净信号电流(ISIG)将等于(VTH/ZTH=XINV/RG),其中分子项VTH中的所有拐点将被分母项ZTH中的所有拐点所抵消,继而导致不受补偿网络影响的信号电流。最终由于超前滞后网络的使用而没有带宽限制。见公式2a和公式2b。

这种超前滞后实现的缺点是,随着频率的变化会出现噪声增益峰值,但只要有足够的补偿,信号路径增益就不会出现峰值,因而降低了信噪比(SNR)。

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运放? 补偿?

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