利用创造性补偿实现小型放大器驱动200 mW负载

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概述
在很多应用中，都需要用到能够为负载提供适当功率的放大器;另外还需保持良好的直流精度，而负载的大小决定了目标电路的类型。精密运算放大器能驱动功率要求不足50 mW的负载，而搭配了精密运算放大器输入级和分立功率晶体管输出级的复合放大器可以用来驱动功率要求为数W的负载。 但是，在中等功率范围内却没有优秀的解决方案。 在这个范围内，不是运算放大器无法驱动负载，就是电路过于庞杂而昂贵。
最近在设计惠斯登电桥驱动器时，这种两难处境更为明显。激励电压直接影响失调和范围，因此需要具有直流精度。这种情况下，源极电压和电桥之间的容差不足1 mV。 若以7 V至15 V电源供电，则电路必须以单位增益将电桥从100 mV驱动至5 V。
使问题变得更为复杂的是，它能使用各种不同的桥式电阻 例如，应变计的标准阻抗为120 Ω或350 Ω。若采用120 Ω电桥，则放大器必须提供42 mA电流，才能保持5 V电桥驱动能力。 此外，电路驱动能力必须高达10 nF。 这是考虑电缆和电桥耦合电容后得到的数值。
放大器选择
设计该电路的第一步，是选择可以驱动负载的放大器。 其压差(VOH) 在目标负载电流情况下，必须位于电路的可用裕量范围内。 针对该设计的最小电源电压为7 V，最大输出为5 V。若裕量为250 mV，则可用裕量(VDD – VOUT)等于1.75 V。目标负载电流为42 mA。
精密、双通道运算放大器 ADA4661-2 具有轨到轨输入和输出特性。 该器件的大输出级可驱动大量电流。 源电流为40 mA时，数据手册中的压差电压规格为900 mV，因此可轻松满足1.75 V裕量要求。
压差限制了电路采用低压电源工作，而功耗则限制了电路采用高压电源工作。 可计算芯片升温，确定最大安全工作温度。 MSOP封装简化了原型制作，但LFCSP封装的热性能更佳，因此如有可能应当采用LFCSP封装。 MSOP的热阻(θJA) 等于142°C/W，LFCSP的热阻等于83.5°C/W。 最大芯片升温可通过将热阻乘以最大功耗计算得到。 当电源为15 V且输出为5 V时，裕量为10 V。最大电流为42 mA，因此功耗为420 mW。 最终的芯片升温(MSOP为60°C，LFCSP为35°C)限制最大环境温度为65°C (MSOP)以及90°C (LFCSP)。
为保持精确的电桥激励电压，芯片和封装的组合热性能同样十分重要。 不幸的是，驱动大输出电流时，某些运算放大器的性能下降明显。 输出级功耗使得芯片上的温度梯度极大，从而导致匹配晶体管和调节电路之间的不平衡。 ADA4661-2设计用于驱动大功率，同时抑制这些温度梯度。
反馈环路稳定
满足负载-电容规格不容易，因为大部分运算放大器在不使用外部补偿的情况下无法驱动10 nF的容性负载。 驱动大容性负载的一种经典技巧，是使用多个反馈拓扑，如图1所示。图中隔离电阻RISO将放大器输出和负载电容CLOAD隔离。 将输出信号 VOUT 通过反馈电阻 RF进行回送，便能保持直流精度。 通过电容 CF反馈放大器输出，可保持环路稳定性。
如需使该电路有效，RISO 必须足够大，以便总负载阻抗在放大器的单位增益频率下表现出纯阻性。 这是很困难的，因为该电阻上会有电压下降。 通过分配最差情况下的剩余电压裕量，可确定RISO 的最大值。 6.75 V电源以及5 V输出允许1.75 V总压差。 放大器 VOH 占用总压差的900 mV，因此电阻上的压降最高允许达到850 mV。 如此，便可将RISO 的最大值限制为20 Ω。2 nF负载电容在该放大器的单位增益交越频率4 MHz处产生一个极点。 显然，多反馈无法满足该要求。