电容性负载和相位裕度

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                                             作者：Farhana Sarder，安森美半导体
 
为何在输出端连接一个电容时，我的运算放大器会振荡？
驱动一个集成运算放大器的电容性负载可能是棘手的。如果负载电容太高，这会造成不稳定，使运算放大器输出振荡。足够的相位裕度对实现稳定性至关重要。随着负载电容增大，相位裕度会减小。如果您发现一个运算放大器输出振荡，首先要查看的是负载。

图1. 在运算放大器输出端的电容性负载会导致振荡
负载电容可以包括任何连接到输出的电容以及任何外部电容或由系统产生的寄生电容，包括PCB和探针。这个电容增加相位滞后，降低相位裕度。结合内部输出电阻，负载电容产生一个移动增益和相位图的极点。这种效应如图2所示。

图2. NCS2005增益和相位与频率的关系。
例如，安森美半导体的NCS2005是个8 MHz的运算放大器，设计用于驱动达1 nF的电容性负载。请注意，随着负载电容增加，相位裕度开始下降得更快。负载电容1 nF，相位裕度下降到约25-30°，根据经验法则，这是设计一个系统应提供的最小相位裕度。一个25 pF的较小的负载电容在该增益和相位图推动该极点到更高的频率，提高相位裕度至65°。
另一种提高相位裕度的方法是在输出端增加一个小的串联电阻。通常情况下，使用电阻值在10Ω 至50Ω之间的电阻。这串联电阻本质上有助于隔离运放输出与负载电容。反馈是在串联电阻前从运算放大器输出取得。外部串联电阻通常大于运放的输出电阻，所以相移主要在于串联电阻而不是运放。这种技术的缺点可能包括由于添加的电阻或低通滤波器外置R和C产生有限的频率响应造成的直流误差，但有其它（更复杂）的技术避免这缺点。

图3. 在电容器前添加电阻可帮助提高相位裕度
最后，提高相位裕度的另一种方法是增加电路的闭环增益。由于低输出阻抗，单位增益最易受到不稳定的影响。
在选择运放时，检查相位裕度对电容性负载的响应总是个好办法。一些运算放大器，如NCS2005，旨在驱动较大的负载。对于其他运放，如果您察觉到振荡，请尝试这其中一种技术来提高相位裕度。