Part 01、前言
在设计高性能的差分放大电路时,我的目标是实现信号的精确、低失真放大。然而,当我们进入高速信号领域时,一个问题常常不期而至:信号过冲与振铃。最近逛论坛的时候,发现了这个有趣的问题,差分运放的同相+与反相-输入引脚之间,为什么有时候并联一个看似多余的电阻?
问题的根源是理想运放与现实的延迟!
理想运放有两个黄金法则,其中之一就是虚短一一在负反馈电路中,同相端和反相端的电压被认为严格相等V+=V-。然而,实际的运放是有延迟的。从信号进入运放输入端,到运放内部处理完毕,再到输出端产生响应,这个过程需要时间。同时,运放的开环增益也会随着频率的升高而急剧下降,并伴随着显著的相位滞后。
当频率足够高时,虚短失效了!
更糟糕的是,运放的输入引脚本身存在输入电容Cin。这个电容与反馈电阻Rf在反馈环路中形成了一个RC低通滤波器。这个滤波器会引入额外的相位滞后,对系统的相位裕度存在危害。当相位裕度过低时,系统对瞬态信号的响应就会表现为严重的过冲和振铃,甚至直接引发自激振荡。
Part 02、并联电阻的作用
在运放的V+和V-引脚之间跨接上电阻。它是如何解决上述问题的呢?
它的核心作用是提前反馈信号,抑制信号超调。我们可以将其理解为一条高速前馈路径。
当V+电压变化时,由于运放内部的延时,输入V+和V-间电压并不相等,如果输入信号突变,反馈信号而没有来得及影响输出时,那运放的输出电压就会出现超调。在运放的V+和V-引脚之间跨接上电阻,即便输出还没有来得及反应,就不需要等待运放输出,而是立刻利用这个V+和V-之间的瞬时压差,产生一个电流,直接将V+端的信号变化馈送了一部分到V-端。所以并联的电阻提前了反馈信号。从而可以抑制信号超调。这极大地减小了运放输入级看到的瞬时误差电压(Vid=V+ - V-)。由于误差信号减小了,运放的输出摆动就不会那么剧烈,从而从根本上抑制了信号的过冲。
下图是无并联电阻的运放输出端波形:输出电压尖峰大
下图是有并联电阻的运放输出端波形:输出电压尖峰小
并联电阻可以提升稳定性,抑制过冲它能有效增加系统的相位裕度,使高速放大器的瞬态响应更干净,消除振铃。而直流特性几乎不受影响,在直流或低频下,运放的高增益使得虚短非常有效,V+和V-之间的电压差,即输入失调电压 Vos极小。因此,流过Rdamp的直流电流微乎其微,对电路的直流增益和工作点影响可以忽略不计。
增加并联电阻也有缺点,没有电阻时,运放的差分输入阻抗非常高。加入了电阻后,电路的差分输入阻抗,在运放输入端看进去将主要由并联电阻的值决定,这会加重对前级信号源的负载效应,可能导致信号幅度衰减。
另外运放本身的输入失调电压Vos虽然很小,但它现在会驱动一个直流电流(I=Vos/R)流过并联电阻。这个电流会流经增益电阻和反馈电阻,在输出端产生一个额外的直流失调电压,降低了电路的直流精度。
最后电阻本身会产生热噪声,这个噪声会被放大器放大,也会恶化电路的整体噪声性能。
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