改善运算放大器和全差动放大器应用中高反应性轨到轨输出级阻抗的相位裕度

找到低相位裕量的来源
甚至图1的简单电路似乎也遭受如参考文献1中所述的低相位裕度条件,在165MHz处具有尖锐的谐振。即使在低速信号路径应用中,重要的是检查更高频率的故障。

图1
使用150Mhz THS4551 FDA进行宽带小信号模拟。
使用150Mhz THS4551 FDA进行宽带小信号模拟。

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这里差的相位裕度是多种因素的组合。较高频率下的感应开环输出阻抗(图68,参考文献2)与反馈容性负载作出反应,在输出引脚电压处产生明显的相移。反馈电容还将噪声增益调整回低至1V / V的差分输入,在高频率下扩展环路增益(LG)= 0dB交叉频率,输出频率高达185 o在交叉处绕环路相移。简单地移除这些反馈电容在图2中显示稳定的结果.3V / V的信号增益是4V / V的噪声增益,显示带宽扩展到45.5MHz,而简单的135MHz增益带宽积(GBP)除以4预计为33.7MHz。在较高频率下也没有任何稳定性问题,因为响应中没有尖锐的峰值。

图2
简单增益3电路,无反馈电容。
简单增益3电路,无反馈电容。

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回到800kHz的反馈极点,这是否会导致问题也取决于负载。更改为更典型的逐次逼近寄存器(SAR)驱动器RC负载(参考3,驱动18位,2MSPS SAR)在低得多的频率下显示出较低的谐振峰值 - 但可能不会振荡。较低频率下较重的负载与开环输出阻抗相互作用,以比500Ω负载低得多的频率衰减可用的反馈电压。这样可以将LG = 0dB的交叉频率拉回到THS4551开环增益的高阶极点(图66,参考文献2)没有增加到环路相移的程度。另一种说法是THS4551的负载开环增益(Aol)响应显示频率低得多的LG = 0dB交叉。请注意,此处的测量点仍然是FDA输出 - 而不是最终的1nF负载。不稳定的可能性在FDA中,并且考虑到对负载的过滤响应通常会掩盖问题 - 无论是在模拟还是在工作台上。

图3
具有重载RC负载的3级电路的带限增益。
具有重载RC负载的3级电路的带限增益。

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设置在参考文献1的LG模拟该电路中,示出了在15 49MHZ一个LG =0分贝相位裕Ò。因此,虽然这不是振荡,但有必要采取一些改善相位裕度的工作。所示方法将适用于任何可能使器件进入低相位裕度条件的负载和反馈网络(包括Rauch或多反馈[MFB]有源滤波器)的外部组合。我们将继续使用图4的RC加载示例作为数据采集应用程序中的更实际示例。

图4
对于图3的电路,LG = 0dB相位裕度提取,显示15相位裕度。
对于图3的电路,LG = 0dB相位裕度提取,显示为15 相位差。

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电路选项可在保持所需放大器操作的同时提高相位裕量
由于我们知道无功开环输出阻抗是问题的一部分,因此简单地在环路输出电阻内部添加通常可以快速提高相位裕度。这具有在输出电压通过反馈网络反馈到输入之前减小输出电压的相移的效果。只需在环路内测试10Ω就可以得到图5中的34 o相位裕量。如果反馈电容连接在它们的输出端,这些电阻已被证明更有效。

图5
使用环路输出电阻内部改进相位裕度解决方案。
使用环路输出电阻内部改进相位裕度解决方案。

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在环路中添加这些电阻应该谨慎,因为在某些情况下它们会降低可用的输出电压摆幅。保持这些相对较低(<20Ω)将限制降级。虽然在这种情况下这可能就足够了,但还有其他应用电路需要更多的相位裕量改进。
降低该电路相位裕量的另一个问题是反馈电容器将频率上的噪声增益整形为1V / V. 大多数FDA名义上设计有相同的增益和反馈电阻,当没有反馈电容器时,信号增益为1,噪声增益为2V / V. 该标称电阻负载设计点通常针对40 o和60 o之间的相位裕量。使用所有1kΩ电阻的LG仿真显示了THO4551数据表(参考文献2)中使用的规格设定点的47 o标称相位裕度设计。THS4551数据表(参考文献2)。

图6
对于所有1kΩ电阻,数据表的标称相位裕度模拟指定增益为1
对于所有1kΩ电阻,数据表的标称相位裕度模拟指定增益为1

可以通过增加输入电阻来模拟较低的噪声增益条件,而不会引入反馈电容的相移,如图7所示。这里,这些10kΩ输入电阻将噪声增益降低到1.1V / V,显示非常低13 o阶段保证金。90MHz交叉时的低相位裕度与图1参考文献2中0.1V / V增益的90MHz时测得的峰值一致。这也说明了简单地为信号路径添加反馈电容器所固有的低噪声增益相位裕度设计的风险带限制。

 

图7
降低噪声增益环路增益仿真。

 

降低噪声增益环路增益仿真。

 

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回到图5的部分改进的相位裕度应用电路,一种通过频率来设定噪声增益的常用方法是在FDA输入端增加差分输入电容。在较高频率下,该电容器(C t)与反馈电容器(C f)一起工作,以将噪声增益调整到1 + 2 C t / C f,从而将LG = 0dB交叉频率降低到更高的相位裕度条件。图8显示了输入端的500pF差分C t通过将LG = 0dB频率拉回到12.9MHz ,可提供更高的5V / V频率噪声增益,并将相位裕度提高到48 o

 

图8
使用差分输入Ct改善相位裕度以形成更高的噪声增益。

使用差分输入C t改善相位裕度以形成更高的噪声增益。

 

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对于高电抗率输出阻抗器件,添加差分输入C似乎与环路输出电阻器内部一起工作得最好。只需添加输入C t,反应性较低的开环输出阻抗设备通常可以获得非常好的结果回想一下,这仅适用于反馈电容器的环境。这可能是此处所示的信号路径中的简单滤波器极点,MFB有源滤波器设计的反馈电容(参考文献4),或有意添加以允许在较高频率下进行此噪声增益整形以改善相位裕度(设计衰减器,部分) 9.1.6,参考文献2)。回到闭环仿真,这些两相裕量改进到位,给出了图9的稳定宽带响应。这里,F -3dB是864kHz,其中略高的曲线去掉了差分输入C t电容。在这种情况下,仅使用环路内的两个10Ω电阻就足够了,差分输入C t 是可选的。在电容器的布局中放置一个位置是一种免费的方法,可以在将来改变FDA,负载或RC反馈网络时出现相位裕度问题。

 

图9
闭环响应,相位裕度改善
闭环响应,相位裕度改善

 

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简单和常见的FDA(或运算放大器)应用电路可以以低于有时预期的相位裕度运行。随着RR输出设备具有高反应性的开环输出阻抗,这种可能性越来越大(参考文献5)。将其与无功负载隔离的一个步骤是在环路内添加一个低值输出电阻。该领域的IC继续开发可能会考虑在芯片上添加这些电阻,以改善通用应用电路的相位裕量。通常,这些电阻可能就足够了,但如果在预期的应用电路中已经有一个反馈电容,那么为差分输入电容添加一个位置总是可以选择在较高频率下形成噪声增益。使用该差分输入电容将逐渐降低信噪比(SNR)。

随着供应商模型的改进,包括多极开环增益和更精确的开环输出阻抗模型,这些问题才变得明显。并非总是如此,模型中包含必要的细节级别 - 特别是对于旧设备。测试这些模型以获得必要的小信号响应元素可能是谨慎的。表1中列出了可能具有类似相位裕量危险和修复的替代设备。测试THS4561在线模型显示它具有与THS4551类似的无功开环输出阻抗形状。目前还不清楚所显示的其他两个FDA是否需要任何相位裕量改进,因为它们的数据表仅显示闭环输出阻抗图。THS4561在线模型显示它有类似反应的开环输出阻抗形状的THS4551目前还不清楚所显示的其他两个FDA是否需要任何相位裕量改进,因为它们的数据表仅显示闭环输出阻抗图。

 

表格1
类似的负轨(NRI),轨到轨输出(RRO)用于精密ADC驱动的FDA。
类似的负轨(NRI),轨到轨输出(RRO)用于精密ADC驱动的FDA。

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