问:我为什么要驱动容性负载?

答:这通常不是一个选择的问题。在大多数情况下，负载电容不是来自你故意添加的电容;最常见的是不需要的寄生，比如一段同轴电缆的电容。但是，在运放输出端需要解耦直流电压的情况下，例如，当运放用于反转参考电压并驱动动态负载时。在这种情况下，您可能希望将旁路电容直接放置在运放的输出端。无论哪种方式，容性负载都会影响运放的性能。

问:电容损耗如何影响运放性能?

简而言之，它可以把你的放大器变成振荡器。方法如下:

运算放大器有一个固有的输出电阻R(o)，它与容性负载一起，在放大器的传递函数中形成一个额外的极。正如波德图所示，在每个极点，振幅斜率变得负20 dB/ 10年。注意每个极点是如何增加-90°相移的。我们可以从两个角度来看待不稳定性。从对数图上的幅值响应来看，当开环增益和反馈衰减之和大于1时，电路不稳定。同样，从相位响应来看，如果该频率低于闭环带宽，则运放将倾向于在环路相移超过-180°的频率上振荡。电压反馈运放电路的闭环带宽等于运放的带宽积(GBP，或单位增益频率)除以电路的闭环增益(a (CL))。

运算放大器电路的相裕度可以被认为是使电路不稳定所需的闭环带宽处的额外相移量(即相移+相裕度= -180°)。当相位裕度接近零时，环路相移接近-180°，运放电路接近不稳定。通常，相位裕度远小于45°的值会导致频率响应中的“峰值”和阶跃响应中的超调或“振铃”等问题。为了保持相裕度的保守性，电容电容产生的极应该至少比电路的闭环带宽高10倍。如果不是，考虑不稳定的可能性。

问:那么如何处理容性负载呢?

答:首先，你应该确定运放是否能安全地驱动负载。许多运放数据表指定了“容性负载驱动能力”。另一些则提供了“小信号超调与容性负载”的典型数据。在这些图中，您将看到超调量随着负载电容的增加呈指数增长。当它接近100%时，运算放大器接近不稳定。如果可能的话，让它远离这个极限。还要注意，这张图是针对特定增益的。对于电压反馈运放，容性负载驱动能力随增益成比例增加。因此，能够以单位增益安全地驱动100pf电容的aVF运放应该能够以10的增益驱动1000pf电容。

一些运放数据手册指定了开环输出电阻(R(o))，由此可以计算增益的频率-如上所述的附加极。如果增加的极点(f(P))的频率比电路带宽高10年以上，电路将是稳定的。

如果运放的数据表没有指定容性负载驱动或开环输出电阻，并且没有对容性负载的超调图，那么为了确保稳定性，您必须假设任何负载电容都需要某种补偿技术。有许多方法可以稳定标准运放电路以驱动容性负载。这里有一些:

噪声增益操作:在低频应用中保持稳定性的一个有效方法——经常被设计者忽视——是在不改变信号增益的情况下增加电路的闭环增益(A /k/ A“噪声增益”)，从而降低开环增益和反馈衰减的乘积趋于一致的频率。通过在运放输入端之间连接RD来实现这一点的一些电路如下所示。这些电路的“噪声增益”可以通过给定的方程得到。

由于稳定性是由噪声增益而不是信号增益决定的，因此上述电路允许在不影响信号增益的情况下增加稳定性。只需保持“噪声带宽”(GBP/A(噪声))至少低于负载产生极十年，以保证稳定性。

这种稳定方法的一个缺点是由于输入参考电压噪声和输入失调电压放大增加而引起的额外输出噪声和失调电压。增加的直流偏置可以通过将C(D)与R(D)串联来消除，但是增加的噪声是这种技术固有的。图中显示了带和不带C(D)时这些电路的有效噪声增益。

C(D)，在使用时，应尽可能大;其最小值应为10 A(噪声)/(2 pR(D)GBP)，以使“噪声极点”比“噪声带宽”至少低10年。

Out-of-loop补偿:另一种稳定运放容性负载驱动的方法是在运放输出端和负载电容之间增加一个电阻RX，如下图所示。虽然显然在反馈环路之外，但它与负载电容一起作用，在反馈网络的传递函数中引入一个零，从而减少了高频环路相移。

为了保证稳定性，R(X)的值应该使加零(f(Z))至少比运放电路的闭环带宽低十倍。随着R(X)的增加，电路性能不会受到第一种方法增加的输出噪声的影响，但是负载看到的输出阻抗会增加。由于由R(X)和R(L)形成的电阻分压器，这可以降低信号增益。如果R(L)已知且相当恒定，则可以通过增加运算放大器电路的增益来抵消增益损失的结果。

这种方法对输电线路的驱动是非常有效的。R(L)和R(X)的值必须等于电缆的特性阻抗(通常为50欧姆或75欧姆)，以避免驻波。所以R(X)是预先确定的，剩下的就是将放大器的增益加倍，以抵消电阻分频器的信号损失。问题解决了。

在循环中补偿:如果R(L)是未知的或动态的，则增益级的有效输出电阻必须保持较低。在这种情况下，将R(X)连接到整个反馈回路中可能会很有用，如下所示。通过这种配置，直流和低频反馈来自负载本身，允许从输入到负载的信号增益不受分压器R(X)和R(L)的影响。

该电路中增加的电容器C(F)可以抵消C(L)产生的极和零。简单地说，C(F)的零点与C(L)的极点重合，C(F)的极点与C(L)的零点重合。因此，整体传递函数和相位响应完全就像根本没有电容一样。为了保证极点/零点组合的消去，必须精确地求解上述方程。还要注意条件;如果负载阻力比较大，它们很容易满足。

当R(O)未知时，计算是困难的。在这种情况下，设计过程变成了一场猜谜游戏——一场原型噩梦。关于SPICE的警告:SPICE模型的运放不能准确地模拟开环输出电阻(RO);因此，它们不能完全取代补偿网络的经验设计。

同样重要的是要注意，C(L)必须是一个已知的(和恒定的)值，以便该技术适用。在许多应用中，放大器在“箱外”驱动负载，并且C(L)可以在不同负载之间显著变化。只有当C(L)是封闭系统的一部分时，才最好使用上述电路。

一个这样的应用涉及缓冲或反相的参考电压，驱动一个大的去耦电容器。这里，C(L)是一个固定值，允许精确地抵消极点/零组合。这种方法的低直流输出阻抗和低噪声(与前两种方法相比)非常有益。此外，大量电容可能解耦参考电压(通常是许多微法拉)是不切实际的补偿任何其他方法。

以上三种补偿技术各有优缺点。到目前为止，您应该有足够的知识来决定哪种方法最适合您的应用程序。所有这三种都旨在应用于“标准”，单位增益稳定，电压反馈运放。请继续阅读，了解一些使用特殊用途放大器的技术。

问:我的运放有一个“补偿”引脚。是否可以对运放进行过补偿，使其在驱动容性负载时保持稳定?

答:是的。这是补偿负载电容最简单的方法。今天大多数运算放大器都是单位增益稳定性的内部补偿，因此不提供“过度补偿”的选项。但许多器件仍然存在固有的稳定性，只有在非常高的噪声增益。这些运算放大器有一个引脚，外部电容可以连接，以降低主导极的频率。为了在较低增益下稳定工作，必须在该引脚上增加电容以减小增益带宽积。当必须驱动容性负载时，进一步增加(过补偿)可以增加稳定性，但以带宽为代价。

问:到目前为止，你们只讨论了电压反馈运放，对吗?电流反馈(CF)运算放大器的行为与电容放大器相似吗?我可以使用这里讨论的任何补偿技术吗?

当驱动容性负载时，电流反馈架构的一些特性需要特别注意，但对电路的总体影响是相同的。增加的极与运算放大器输出电阻一起，增加了相移并减小了相裕度，可能导致峰值、振铃甚至振荡。然而，由于CF运算放大器不能说具有“增益-带宽乘积”(带宽对增益的依赖性要小得多)，因此不能简单地通过增加噪声增益来大幅提高稳定性。这使得第一种方法不切实际。此外，电容器(C(F))不应该放在CF运放的反馈回路中，使第三种方法无效。补偿电流反馈运放以驱动容性负载的最直接方法是在方法2中在放大器输出端增加一个“出环”串联电阻。

问:这已经提供了很多信息，但我不想处理这些方程中的任何一个。再说了，我的董事会已经安排好了，我不想放弃这次生产。当驱动容性负载时，是否存在固有稳定的运放?

答:是的。Devices制造了一些运算放大器，可以驱动“无限”负载电容，同时保持良好的相位裕度。表中列出了它们，以及其他一些可以将容性负载驱动到规定值的运放。关于“无限”帽负载驱动设备:当驱动10µF时，不要期望获得与驱动纯电阻负载时相同的压转率。详细信息请阅读数据表。

参考电路

实用设计技术，设备，1995年研讨会笔记。帽负载驱动信息可以在第2节“高速运放”(沃尔特·荣格和沃尔特·凯斯特)中找到。

应用说明AN-257:“精心设计的高速运算放大器，”乔巴克斯顿，在应用参考手册(1993)。详细考察了“环内补偿”方法。免费的。

“电流反馈放大器，第1部分和第2部分”，作者Erik Barnes，对话30-3和30-4(1996)，现在合并在Ask The Applications Engineer(1997)中。可在我们的网站。