詳解運放及其補償技術(shù)

通過引入超前-滯后補償而引入了一個極點（？‘p，dom）和一個零點（？z），引入的極點（？’p，dom）變成了新的主極點，引入的零點（？z）基本上抵消了運放的固有主極點（？p，dom），雖然圖3B顯示的是？z和？？p，dom之間完美的抵消。這樣文獻中所示的對應(yīng)（錯誤的）圖應(yīng)該可以理解了。與許多其它補償技術(shù)一樣，超前-滯后補償的一個明顯優(yōu)勢是，所形成的主極點和非主極點之間的間距增加了，從而增強了穩(wěn)定性。然而有人可能會問為何不是只執(zhí)行超前補償，用補償網(wǎng)絡(luò)引入的零點抵消運放固有的第一個非主要極點。

一個眾所周知的原因是，超前補償明顯會產(chǎn)生帶寬限制，而超前-滯后補償不會。為什么超前-滯后補償不會限制帶寬呢？如果從開環(huán)增益曲線看全部可見的話，這個問題的答案不是很明確。有人也許通過分析閉環(huán)放大過程可以得到答案。針對超前-滯后補償情況，另一篇文獻很好地提出了閉環(huán)增益計算公式，但這里對這種技術(shù)為何不會限制帶寬給出了一種直觀的解釋，雖然利用了一些簡單的數(shù)學(xué)方法。

在圖1所示的兩個放大器配置中，運放的負輸入端是負反饋點，因此只要在感興趣頻率點的開環(huán)增益幅度足夠大，這就是一個非常低的增量阻抗節(jié)點，也稱為虛地。所以將信號源電壓轉(zhuǎn)換為等效輸入信號電流、然后乘上反饋電阻值（RF）得到純輸出電壓（YINV）是有意義的，如圖4所示。



圖4：圖3A的戴文寧等效電路。

完成這種轉(zhuǎn)換的一種流行方法是通過戴文寧等效網(wǎng)絡(luò)。圖4顯示了圖3A的戴文寧等效電路。在圖3A中，假設(shè)運放及其反饋網(wǎng)絡(luò)不存在，換句話說去除了負載，然后考慮在以前連接的運放負輸入端處來自輸入源（XINV）的貢獻。這種貢獻可以被稱作戴文寧等效電壓（VTH），它的幅度隨頻率增加而減小，因為當頻率增加時補償電容的阻抗會減小。

與此同時，由于補償電容的作用，戴文寧等效串聯(lián)阻抗（ZTH）受相同方式的影響。因此流向運放負輸入端（虛地）的凈信號電流（ISIG）將等于（VTH/ZTH=XINV/RG），其中分子項VTH中的所有拐點將被分母項ZTH中的所有拐點所抵消，繼而導(dǎo)致不受補償網(wǎng)絡(luò)影響的信號電流。最終由于超前-滯后網(wǎng)絡(luò)的使用而沒有帶寬限制。見公式2a和公式2b.


這種超前-滯后實現(xiàn)的缺點是，隨著頻率的變化會出現(xiàn)噪聲增益峰值，但只要有足夠的補償，信號路徑增益就不會出現(xiàn)峰值，因而降低了信噪比（SNR）。

超前補償：不同實現(xiàn)方法

至此討論的超前-滯后補償（圖3A）的實現(xiàn)方法是，在運放負輸入端到地之間、或等效在運放兩個輸入端之間連接串聯(lián)電阻和電容元件。然而，當這樣的串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接在放大晶體管的輸入-輸出引腳之間時，補償技術(shù)被稱為超前補償與最終極點分離補償?shù)慕M合。這種串聯(lián)電阻與電容補償結(jié)構(gòu)幾乎總是存在于運放內(nèi)部。

通常這個過程一開始是在增益單元間放置一個電容，這樣由于電容米勒效應(yīng)會形成極點分離補償。然后為了補償由此形成的右半平面零點，需要增加一個串聯(lián)電阻，并通過調(diào)整阻值實現(xiàn)超前補償，此時需要移動零點直到它抵消第一個非主要極點。最終人們?nèi)绾芜B接這樣的串聯(lián)電阻和電容網(wǎng)絡(luò)取決于超前或超前-滯后補償頂點的具體要求和可用選項。

為了在使用運放IC的放大器中實現(xiàn)超前補償，需要并聯(lián)反饋電阻放置一個反饋電容[1，3].盡管是超前補償實現(xiàn)方法，但它的意圖通常是通過補償網(wǎng)絡(luò)引入一個零點來抵消一個極點，而且一般是待補償系統(tǒng)的第一個非主要極點。

結(jié)束語

按照文獻中描述的補償網(wǎng)絡(luò)嚴格定義，圖3A中所示的所謂超前-滯后補償從嚴格意義上講是一種滯后補償。同樣，在晶體管放大節(jié)點間放置的所謂超前補償網(wǎng)絡(luò)，嚴格來說也是一種滯后補償網(wǎng)絡(luò)。這再一次提醒人們這些補償技術(shù)實際上有多相似，而在不同參考文獻中基于這樣那樣的理由卻被分成不同的種類。也許除了“增益補償”技術(shù)外，所有上面提及的補償技術(shù)都可以歸類為“拐點補償”技術(shù)，因為直流開環(huán)增益幅度在補償過程中保持恒定，只有拐點會經(jīng)歷重新定位、創(chuàng)建和消除的組合過程。