详解运放及其补偿技术 设计师, 技术, 资料

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关键字：运放   补偿  



运放补偿虽然很常见，但有时候也极具挑战性，尤其是在要求和约束条件超过设计师控制的情况下，设计师必须选择一种最优补偿技术之时。也许极具挑战性的原因之一是一般文献资料更多地专注于不同补偿技术之间的区别而不是相似性。除了关注概念上的不同点外，还要关注相似点，这是非常明智的，只有这样才能更好地理解明显不同的技术和概念之间的紧密关系。为了达到这个目标，本文首先讨论了运放的少量几个确定因素，最终逐步过渡到电路中经常使用但少有人理解的补偿技术。本文还简要介绍了补偿网络的严格定义，并集中讨论了文献中出现的可能冲突。
前馈增益：相对于哪个节点？
在讨论运放补偿之前，首先搞清楚运放的两种最基本配置很重要，即同相(图1A)和反相(图1B)。已有大量文献资料介绍过这两种配置的闭环增益，并强调了闭环传输函数间的区别。



图1A：典型的同相配置。
图1B：典型的反相配置。
图1C：反相配置的等效同相版本。


为了方便理解两种配置的前馈增益之间的区别，这里给出了分别对应同相和反相配置的公式1.a和1.b。有人可能会问，为什么反相配置(AINV)的前馈增益不同于同相配置(ANINV)，而事实上两种配置使用的是相同的运放。







让我们首先看看两种配置实际上有多相似，然后说明前馈增益的纯数学表达式为何不同。
图1B中所示的反相配置可以转化为图1C所示的等效同相配置。这种转换是确定同相配置要求的输入后会产生与反相配置相同输出的结果。
图2A和图2B分别对应图1A和图1C的框图表示法。注意图2A和图2B之间的相似性。这两张图表明，当从减法模块向输出观察时，两种配置是完全相同的。减法模块建模的是运放两个输入端的相减。
在反相配置框图(图2B)中，输入信号(-XINV)先乘以ZF/(ZF+ZG)因子，然后到达减法模块输入端，命名为XINV,i。在图2A和图2B的两个框图之间，当严格相对于减法模块输入或运放输入观察时，前馈增益和反馈因子完全相同，两种配置的区别仅是相对输入信号观察时输入信号的数学转换。因此两种配置下的开环增益稳定性分析结果也是相同的。
通过使用线性系统处理方法，图2B中的反相配置框图可以映射为图2C。图2C中的框图是对反相配置进行简单数学处理的结果，不过图2B中的子模块更好地对应于实际物理系统的单元。与物理系统有更好的一对一对应关系的模型一般更容易让人理解。图2C是相对于信号源(-XINV)的反相配置的框图表示法，因此公式1.b中所示的前馈增益表达式(AINV)对同相配置来说看起来不同于公式1.a的表达式。



图2A：同相配置框图。
图2B：反相配置框图。
图2C：针对反相配置的重配置框图。超前补偿：不同实现方法
至此讨论的超前滞后补偿(图3A)的实现方法是，在运放负输入端到地之间、或等效在运放两个输入端之间连接串联电阻和电容元件。然而，当这样的串联结构连接在放大晶体管的输入输出引脚之间时，补偿技术被称为超前补偿与最终极点分离补偿的组合。这种串联电阻与电容补偿结构几乎总是存在于运放内部。
通常这个过程一开始是在增益单元间放置一个电容，这样由于电容米勒效应会形成极点分离补偿。然后为了补偿由此形成的右半平面零点，需要增加一个串联电阻，并通过调整阻值实现超前补偿，此时需要移动零点直到它抵消第一个非主要极点。最终人们如何连接这样的串联电阻和电容网络取决于超前或超前滞后补偿顶点的具体要求和可用选项。
为了在使用运放IC的放大器中实现超前补偿，需要并联反馈电阻放置一个反馈电容。尽管是超前补偿实现方法，但它的意图通常是通过补偿网络引入一个零点来抵消一个极点，而且一般是待补偿系统的第一个非主要极点。
本文小结
按照文献中描述的补偿网络严格定义，图3A中所示的所谓超前滞后补偿从严格意义上讲是一种滞后补偿。同样，在晶体管放大节点间放置的所谓超前补偿网络，严格来说也是一种滞后补偿网络。这再一次提醒人们这些补偿技术实际上有多相似，而在不同参考文献中基于这样那样的理由却被分成不同的种类。也许除了“增益补偿”技术外，所有上面提及的补偿技术都可以归类为“拐点补偿”技术，因为直流开环增益幅度在补偿过程中保持恒定，只有拐点会经历重新定位、创建和消除的组合过程。