多級運算放大器頻率補償技術研究

王允剛

（莘縣職業(yè)中等專業(yè)學校 山東 聊城 252000）

0 引言

在對多級運算放大器中的頻率補償技術進行研究時，首先需要對其穩(wěn)定性的主要影響因素及其影響程度進行科學分析，然后以此為依據，通過合理的技術措施來進行其頻率補償。這樣才可以讓多級運算放大器的穩(wěn)定性得以良好保障，從而滿足現代化集成電路對此類運算放大器的應用需求，讓兩者之間得以協同發(fā)展。

1 多級運算放大器的穩(wěn)定性影響分析

在集成化的電子電路中，多級運算放大器的連接方式通常為負反饋形式，此種連接不僅能引入電路的放大倍數得以穩(wěn)定，也可以將其頻帶展寬，并使其非線性失真情況得以有效降低。通過不同形式的反饋組態(tài)應用，可使阻抗輸入輸出得以改變，以此來適應不同電路系統(tǒng)的實際應用需求。但是在多級運算放大器處在閉環(huán)工作狀態(tài)時，由于環(huán)路中所產生的信號帶有相位電流，這些信號和輸入信號疊加時，便會有自激振蕩產生，從而對放大電路的穩(wěn)定性產生不良影響[1]。如圖1所示。

圖1 閉環(huán)反饋系統(tǒng)結構示意圖

其中的Vin(S)是輸入信號，Vout(S)是輸出信號，當這兩個信號從反饋網絡中經過時，會與其中的反饋信號H（S）相疊加，然后進入到系統(tǒng)中形成輸出。輸出信號和輸入信號之間的關系則叫作傳輸函數。在該系統(tǒng)中，傳輸函數可按照以下公式表示：

其中的βH(S)為環(huán)路增益值，如果這個值為-1，則增益趨于無窮大，電路中的放大信號會有振蕩產生，振蕩頻率和環(huán)路增益值為-1情況下的頻率值相等。

因此，系統(tǒng)中的振蕩產生條件可通過以下公式表示：

通過振蕩條件可知，在輸入信號從閉環(huán)反饋網絡中通過時會存在和頻率相關的180°相位移動，反饋系統(tǒng)自身也會出現180°相位移動。在這樣的情況下，整個反饋系統(tǒng)中的相位移動就達到了360°，也是輸入信號在整個反饋系統(tǒng)經過時會伴隨著360°的相位移動產生，這些相位移動會疊加到原來的輸入信號上，環(huán)路增益只要不小于1，輸入的噪聲信號就會被無限放大，此時的振蕩幅值也會逐漸增大，自激振蕩隨之產生，從而對系統(tǒng)整體穩(wěn)定性造成不良影響。

2 多級運算放大器中的頻率補償技術應用

隨著級數的增加，運算放大器中閉環(huán)穩(wěn)定性便會降低，從而對其設計造成了很大阻礙。為實現此類問題的有效解決，就需要通過合理的補償技術來進行多級運算放大器的頻率補償。在傳統(tǒng)形式的多級運算放大器中，通常會應用到嵌套式密勒補償法。該方法雖然可以達到相應的頻率補償效果，能夠讓多級運算放大器的運行保持穩(wěn)定，但是其單位增益帶寬非常小[2]。該技術設計的多級運算放大器所需要的輸出級跨導也很大，這樣便會進一步增加其運行過程中的功耗，不僅影響其運行的經濟性，也與當今的節(jié)能環(huán)保理念存在沖突。為避免此類問題的產生，提升多級運算放大器中的頻率補償效果，還需要對其他的頻率補償技術措施加以深入研究。

2.1 阻尼因子抑制補償技術

在對多級運算放大器進行頻率補償的過程中，阻尼因子抑制補償技術十分適用。該技術不僅可以讓多級運算放大器具有良好的穩(wěn)定性，同時也可以使其帶寬得到進一步增加，在較大負載的條件下十分適用。如圖2所示。

圖2 阻尼因子抑制補償技術的整體結構示意圖

通過前饋跨導極的增加，形成了推挽輸出級電路，從而讓多級放大器具備了更高的電壓擺率，使其瞬態(tài)響應得以有效改善。將阻尼因子抑制模塊加入多級運算放大器中，通過該模塊的應用，可有效防止較大幅值的振蕩產生，讓多級運算放大器能夠區(qū)域穩(wěn)定。該模塊的主要組成包括跨導放大器（1個）和并聯電容Cm2（1個），其中的4R是跨導放大器中的輸出端寄生電阻；C4為寄生電容。該模塊在非主極點復雜阻尼因子的控制中十分適用。如圖3所示。

圖3 阻尼因子抑制補償中的小信號模型示意圖

其中Cm1和Cm2分別是多級運算放大器中第一級和第二級中的密勒等效電容，R1、R2分別是多級運算放大器中的第一級和第二級節(jié)點位置的對地等效電阻，RL是負載電阻，C2-C4是寄生電容，CL是負載電容，V1-V4是多級運算放大器中各個節(jié)點的輸出電壓幅值，gm1-gm4是多級運算放大器中的各個極點與零點之間的距離。令Cm2=Cm1，假設該模塊中的直流增益遠超于1，其中的輸出寄生電容C4以及第一級輸出寄生電容1C比補償電容小很多，負載電容以及中間級所輸出的是寄生電容。其傳輸函數為：

其中Cm1gm2gm3R1R2RL是低頻直流增益值Adc，Cm1gm2gm3R1R2RL-1的帶寬是-3 dB，它是運算放大器中的主極點。通過傳輸函數可以看出，電容Cm2并不會影響到極點和零點，因此Cm2=Cm1并非必需，只要讓Cm2遠大于C2，以上公式便可成立。如果電容Cm1較小，則需要滿足的補償，從而滿足Cm1＞Cm2＞C2這一條件。其中，gm4可Cm2=Cm1這一條件，否則就需要對電容尺寸進行進一步對阻尼因子以及復合極點的具體位置進行決定，Cm1會對單位增益帶寬產生影響，使其處在較高頻率上，便可讓多級運算放大器更加穩(wěn)定[3]。

2.2 阻抗調節(jié)補償技術

阻抗調節(jié)補償技術是一種比較新型的多級運算放大器頻率補償結構形式。如圖4所示。

圖4 阻抗調節(jié)補償技術的補償模型示意圖

在該補償結構中，主要對RC形式的串聯網絡結構加以應用，將其連接到多級運算放大器中的第二級輸出端，便可對其起到良好的頻率補償效果。其中的R1和R2是多級運算放大器第一級以及第二級輸出節(jié)點中的寄生電阻，C1和C2是多級運算放大器第一級以及第二級輸出節(jié)點中的寄生電容，CL是輸出級中的負載電容。該放大器屬于一個三級運算放大器，其整個電路是由三個跨導級放大器所組成。cm厘米是由密勒電容所組成的負反饋閉環(huán)網絡，該結構是放大器保持穩(wěn)定的一個必備結構。將一個RC形式的串聯網絡設置在多級運算放大器中，該串聯網絡并不能形成由中間級到總輸出之間的高頻通道，它僅在多級運算放大器中的第二級內用作輸出負載，同時也并不需要進行額外功耗引入，這與當今的多級運算放大器低耗設計理念十分相符[4]。為了讓多級運算放大器中的電壓擺率得以良好改善，需將一個前饋導級電路加設其中，在第一級和總輸出這兩者之間并聯。

因為多級運算放大器中的零點和極點分布情況比較復雜，如果極點之間的距離較近，則會導致多級運算放大器的穩(wěn)定性降低。基于此，在具體的補償過程中，需要借助于密勒補償電容來進行極點分離。但是密勒補償電容所形成的反饋環(huán)路會導致多級運算放大器中的高頻增益過度降低，從而使其帶寬顯著縮減，加之多級運算放大器中的每一級放大電路所需增益都比較高，在這樣的情況下，就需要通過偏置電流的加大來滿足其實際應用需求，而這樣又會導致多級運算放大器運行過程中的功耗增加。阻抗調節(jié)補償技術的應用剛好可以讓上述問題得以有效解決，具體應用中，可將密勒補償電容減少一個，將一個RC串聯網絡加設在多級運算放大器的中間級，這樣便可達到良好的極點分離效果，且并不需要引入到高頻輸出通道中，寄生電容C2比較小，將Ra電阻的阻值減小，便可顯著增加第三級頻率，通過Ca電容的增加，可顯著降低第一級中的頻率，從而讓極點分離更容易實現[5-7]。通過這樣的方式，便可讓多級運算放大器獲得良好的頻率補償效果，從而顯著提升其穩(wěn)定性。

2.3 共源共柵密勒補償技術

為實現單位增益帶寬的進一步提升，在多級運算放大器進行頻率補償的過程中，共源共柵密勒補償技術開始出現。

在通過該技術進行頻率補償的多級運算放大器中，其主要的組成部分包括前饋跨導級形式的放大器模塊（1個）、阻抗調節(jié)模塊（1個）以及共源共柵形式的密勒補償模塊（1個）。采用三級形式的共源共柵結構來進行該多級運算放大器的級聯處理，其直流增益很高。相比較傳統(tǒng)形式的嵌入密勒電容器補償而言，在該補償技術的應用中，依然將補償電容減少一個，這樣便可實現輸入端到輸出端之間高頻通道的有效減小。在阻抗調解這一模塊中，主要的組成部分是一個RC串聯網絡，通過這樣的方式，可將中間級中的小信號高頻阻抗降低。因為中間級中的輸出端小信號低頻阻抗并未出現根本變化，其直流增益需求依然比較高。將一個前饋跨導級設置在第一級到最后一級輸出之間，一個前饋通道便由此形成，推挽輸出級也得以構成。通過這樣的方式，便可讓多級運算放大器中的壓擺率信號特征得以良好改善。

在共源共柵密勒補償技術的應用中，其放大器和阻抗調節(jié)頻率補償技術應用條件下的放大器結構相同，都是將一個RC串聯網絡設置在中間級的輸出端位置。由于結構不同，所以RC串聯網絡所發(fā)揮出的作用也有所不同。在阻抗調節(jié)頻率補償技術的應用中，RC串聯網絡的主要作用是對兩個非主極點進行分離，但是在共源共柵密勒補償技術的應用中，RC串聯網絡的主要作用則是對復合極點進行控制，它使阻抗調節(jié)頻率補償技術條件下的多級運算放大器性能得以改進，后者需要進行大電阻的串聯，以此來讓第二級中的非主極點處在頻率較高的位置上，從而實現單位增益帶寬的增加，但是這個大電阻的應用勢必會導致芯片面積增大，從而導致第二級輸出端位置形成的寄生電容增加，這樣便會導致第三級中的非主極點頻率降低[8-9]。同時在比較大的一個串聯電阻中，其左半平面零點和次主極點之間的較低頻率可以相互抵消，這樣的情況便會使得多級運算放大器建立時間受到嚴重影響。而在共源共柵密勒補償技術的應用中，通過RC串聯網絡的應用，將會讓多級運算放大器中的復合極點頻率得以顯著增加，從而達到良好的頻率補償效果，使其運行更加穩(wěn)定。

3 結語

綜上所述，隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，運算放大器的級數也在逐漸增加。但是在多級運算放大器的具體應用中，頻率降低所導致的穩(wěn)定性減弱是一個需要解決的問題。因此，在多級運算放大器的具體設計及其研究中，相關單位和研究者需要對其頻率補償技術加以深入研究，同時應確保其頻率補償不增加功耗。通過此方式，才能讓多級運算放大器在設計、應用及其發(fā)展中需求得以良好滿足，并使其在集成化電路中發(fā)揮出更加充分的作用與優(yōu)勢。