差分放大器是一種常見且有用的電路，廣泛用于從工廠自動(dòng)化到電動(dòng)汽車系統(tǒng)等各種應(yīng)用。這主要是因?yàn)樗兄谠卩须s環(huán)境中的設(shè)計(jì)中添加共模和差分濾波。

本文將比較兩種離散差動(dòng)放大器的濾波方法。如圖1所示，實(shí)施方案 A 在傳統(tǒng)系統(tǒng)中很常見，但可能存在一些設(shè)計(jì)缺陷。如圖2所示，實(shí)施方案 B 進(jìn)行了改進(jìn)，可降低實(shí)施方案 A 中常見的放大器電路錯(cuò)誤可能性。但為什么需要進(jìn)行這種改進(jìn)?如圖 2 所示，所做的更改如何改善電路?

圖 1差分放大器實(shí)現(xiàn) A 在傳統(tǒng)系統(tǒng)中很常見。

圖 2差分放大器實(shí)施方案 B 降低了實(shí)施方案 A 中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。

首先，讓我們快速回顧一下環(huán)路穩(wěn)定性以及導(dǎo)致放大器電路不穩(wěn)定的原因。影響運(yùn)算放大器穩(wěn)定性的主要因素有三個(gè)：

· 固有相移

· 外部相移

· 前兩次轉(zhuǎn)變的隨機(jī)變化與工藝、溫度和元件公差有關(guān)

相位裕度表示在將隨機(jī)和不可預(yù)測(cè)的變化應(yīng)用于系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度。本質(zhì)上，放大器的反相反饋存在 180 度的相移，而放大器開環(huán)增益的主極點(diǎn)存在 90 度的相移。高頻或非主極點(diǎn)會(huì)引入大約 20 到 40 度的相移，但根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，可能會(huì)引入更多或更少的相移。

外部相移是反饋回路中的外部元件引入的相位滯后。

在工藝、溫度和元件容差方面，非主極點(diǎn)和外部元件可能會(huì)引入不同程度的相移，這會(huì)使相位裕度不足的設(shè)計(jì)變得不穩(wěn)定。圖 3從高層次說明了環(huán)路穩(wěn)定性的這種變化，而圖 4則更詳細(xì)地說明了這一點(diǎn)。

圖 3環(huán)路相移顯示高水平的穩(wěn)定性。

圖 4這是環(huán)路相移的擴(kuò)展版本。

單位增益穩(wěn)定放大器

單位增益穩(wěn)定放大器設(shè)計(jì)為在噪聲增益(或非反相增益)為 1 的情況下用作緩沖器時(shí)保持穩(wěn)定，并且隨著增益的增加，相位裕度會(huì)更大。盡管差分放大器的額外增益可以增加相位裕度，但在反饋環(huán)路中添加更多外部電容負(fù)載可能會(huì)使放大器變得邊緣穩(wěn)定或完全不穩(wěn)定。

在運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表中(圖 5顯示了一個(gè)示例)，您可以看到有一個(gè)相位裕度的規(guī)范，但它是針對(duì)指定的負(fù)載電容器和負(fù)載電阻的。

圖 5數(shù)據(jù)表顯示了 LM2904B 運(yùn)算放大器的相位裕度規(guī)格。

如果這些條件發(fā)生變化，相位裕度也會(huì)發(fā)生變化。隨著電容負(fù)載的增加，負(fù)載電容與放大器的內(nèi)部輸出阻抗相互作用，在反饋環(huán)路中引入一個(gè)極點(diǎn)，從而引入相位滯后。

在實(shí)施方案 A 中，放大器的內(nèi)部輸出阻抗與反饋電阻串聯(lián)，然后在反饋環(huán)路中形成電阻-電容 (RC) 延遲。與簡單的輸出電容負(fù)載相比，這會(huì)給反饋環(huán)路帶來更大的相位滯后。

即使在實(shí)施 A 中只放置差分電容器 C1，您也可以看到小信號(hào)等效電路，該電路顯示了增加的相位滯后。圖 6是一個(gè)簡單的近似值，但簡化有助于理解一般行為。在這種情況下，由于非反相輸入是直流值(在小信號(hào)分析中為接地)，C1 現(xiàn)在成為接地到反饋環(huán)路的電容器，并且仍會(huì)通過引入相位滯后來降低環(huán)路穩(wěn)定性。

圖 6運(yùn)算放大器的簡單近似有助于理解一般行為。

以這種方式分析電路可以發(fā)現(xiàn)方案 A 的潛在危害之一。集成儀表放大器和集成差分放大器的差分和共模濾波的標(biāo)準(zhǔn)做法是方案 A。那么為什么添加這些電容不會(huì)對(duì)這些設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響呢?原因是電容未放置在反饋環(huán)路中，因此不會(huì)給環(huán)路帶來相位滯后。

三放大器儀表設(shè)備只有非反相輸入端外部連接，因此在非反相輸入端增加電容不會(huì)降低相位裕度。圖 7顯示了儀表放大器的內(nèi)部原理圖，從中可以看出在 +IN 或 –IN 上增加電容不會(huì)影響反饋環(huán)路。

圖 7簡化的內(nèi)部原理圖展示了儀表放大器。

圖 8顯示了集成差分放大器的內(nèi)部原理圖。該集成差分放大器在輸入電容和放大器的反相輸入之間有一個(gè)電阻 (R IN )，用于將放大器(以及隨后的反饋環(huán)路)與濾波電容引入的相位滯后隔離開來。

圖 8簡化的內(nèi)部原理圖展示了集成差分放大器。

同樣的原理說明了實(shí)現(xiàn) B 如何改進(jìn)實(shí)現(xiàn) A，如圖 1 所示。

圖 1 中的 R5 將反相輸入與 C1 和 C3 引入的相位滯后隔離開來。即使這些電容值發(fā)生變化，該電阻也有助于保持環(huán)路的穩(wěn)定性。如果 C1、C2 和 C3 的值足夠小，則實(shí)現(xiàn) A 不會(huì)總是變得不穩(wěn)定。事實(shí)上，運(yùn)算放大器中已經(jīng)存在與這些相同的電容器。

查看圖 9中的 TLV9002 運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表，可以看到有一個(gè) 5 pF 差分電容和一個(gè) 1.5 pF 共模電容。這些不是故意放置的;然而，它們是存在于輸入差分對(duì)柵極上的寄生電容。

圖 9數(shù)據(jù)表顯示了差分和共模電容的規(guī)格。

在運(yùn)算放大器的輸入端直接添加外部濾波電容，會(huì)增加與現(xiàn)有寄生電容并聯(lián)的電容，并使其增大。這不一定會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定，但仍會(huì)對(duì)相位裕度產(chǎn)生負(fù)面影響。

濾波電容作用

現(xiàn)在讓我們檢查濾波電容在多種實(shí)現(xiàn)中對(duì)電路相位裕度的影響。圖 10顯示了模擬電路。模擬是在 PSpice 中執(zhí)行的。該項(xiàng)目可以幫助模擬許多不同放大器實(shí)現(xiàn)中的穩(wěn)定性。

圖 10 TI 的 PSpice 對(duì)差分輸入電容器進(jìn)行交流分析電路。

使用 PSpice for TI 中的 PARAM 塊可以輕松為組件分配變量值。具有變量值的組件用花括號(hào) {} 表示，并在 PARAMETERS: 語句下分配。

圖 11和圖 12顯示了放大器反饋環(huán)路的波特圖和反饋環(huán)路的相位裕度。當(dāng) Cfilt_d 較小(10 pF)時(shí)，該電路的相位裕度為 88 度，高于建議的 45 度相位裕度。換句話說，該電路是穩(wěn)定的。

圖 11顯示了 10 pF 差分電容電路 (Cfilt_d = 10pF) 的波特圖。

圖 12這是圖 10 所示電路的計(jì)算相位裕度。

圖 13顯示了當(dāng) Cfilt_d 從 1 pF 增加到 100 nF 時(shí)該電路的相位裕度。相位裕度大幅下降并漸近于 0。當(dāng)輸入端之間的電容約為 1 nF 時(shí)，該電路的相位裕度小于 45 度。

圖 13曲線標(biāo)記了差分濾波電容增加時(shí)相位裕度的參數(shù)分析。

伯德圖和相位裕度

現(xiàn)在，讓我們分析一下圖 14中配置的用于開環(huán)交流分析的實(shí)施方案 A，并測(cè)量得到的相位裕度。

圖 14顯示了差分放大器實(shí)現(xiàn) A 的 PSpice 原理圖。

圖 15和圖 16顯示了反饋環(huán)路的波特圖和計(jì)算出的相位裕度。

圖 15顯示了圖 14 的 Bode 圖。

圖 16計(jì)算出的相位裕度如圖 15 中的波特圖所示。

方案 A 具有 75 nF 差分電容和 7.5 nF 共模電容，相位裕度為 –0.131 度，不穩(wěn)定。若要在方案 B 中創(chuàng)建等效電路，必須將 R2 和 R3 分成兩半(分成 R2 和 R8，以及 R3 和 R9)，并將 Cfilt_cm 和 Cfilt_d 加倍。將電阻值減半并將電容加倍可保持電路增益，同時(shí)將濾波器截止頻率保持在相同頻率。

圖 17使用實(shí)現(xiàn) B 來保留實(shí)現(xiàn) A 的功能。

圖 17顯示了差分放大器實(shí)現(xiàn) B 的 PSpice for TI 原理圖。

實(shí)施方案 B 具有一個(gè) 15 nF 的共模濾波電容和一個(gè)比共模電容大 10 倍(即 150 nF)的差分濾波電容。該電路的功能與實(shí)施方案 A 相同。將 Cfilt_d 設(shè)置為等于 Cfilt_cm 的 10 倍，只需掃描一個(gè)變量并保持 Cfilt_d 和 Cfilt_cm 的相對(duì)大小，即可更輕松地進(jìn)行參數(shù)分析。

為了模擬濾波器頻率的移動(dòng)，Cfilt_cm 的參數(shù)范圍從 1 pF 到 100 nF(Cfilt_d 的參數(shù)范圍從 10 pf 到 1 μF)。在最壞情況下，相位裕度永遠(yuǎn)不會(huì)低于 70 度，即 300 pF。請(qǐng)注意，R8 必須足夠大，才能將反饋環(huán)路與濾波器電容隔離。

圖 18隨著共模濾波電容的增加，相位裕度的參數(shù)分析結(jié)果。

可以通過參數(shù)分析 R8 的最小可接受尺寸。保持輸入濾波器 RC 恒定，掃描 R8 和 R9 時(shí)的增益將獲得相等的比較，確保 R2 和 R8 的總和等于 1kΩ，并且 R2 和 C3 的乘積保持在 7.5e-6。這些規(guī)則保留了圖 17 中電路的相對(duì)尺寸。圖 19顯示了 R8 和 R9 越來越小的情況下相位裕度的圖表。

圖 19隨著 RIN2 的減小，相位裕度的參數(shù)分析結(jié)果顯示。

對(duì)于此設(shè)計(jì)，任何小于 75 Ω 的 R8 值都會(huì)產(chǎn)生小于 45 度的相位裕度，這可視為邊緣穩(wěn)定。這表明實(shí)施 A 存在潛在缺陷，而實(shí)施 B 有助于解決這一缺陷。

兩個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素

在比較分立差動(dòng)放大器的濾波方法時(shí)，設(shè)計(jì)工程師可以降低放大器電路常見實(shí)現(xiàn)中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。在為放大器電路添加輸入濾波時(shí)，請(qǐng)考慮這兩點(diǎn)。

首先，避免將輸入濾波電容直接放在 IN– 上，包括輸入之間的電容或直接接地的電容。其次，確保 IN– 和濾波電容之間的電阻足夠大，以將濾波器的電容負(fù)載與反饋環(huán)路隔離。