最大限度降低寄生电容对放大器稳定性影响的三种方案
由于高增益峰值及其他各种原因，电流反馈（cfb）放大器可能变的不稳定，极端情况甚至进入振荡状态。 放大器不稳定的原因有两个，反馈电阻值过低以及引入对地的寄生输入、输出电容。小电容会导致放大器的频率响应在高频时达到峰值，同时高电容值会迫使器件进入自持振荡，忽略任何输入信号的激励。
本文将介绍如何确保放大器稳定性的设计技巧，包括须知与禁忌，无需深入研究基本数学原理即可设计出稳定的放大器电路。
最大限度降低寄生电容对放大器稳定性影响的方法主要有三种：
良好的布线技术，以最大限度减少寄生电路板和探头电容。
使用cfb放大器厂商规定的反馈和增益电阻值，保证提供足够的相位裕度以承受较小的寄生电容。
利用补偿技术，最大限度降低频率响应峰值和脉冲响应过冲。
电路板布线技巧
优化电路性能，使cfb放大器效果达到最佳，需特别注意：电路板布线寄生、外部元件类型和电阻值。以下建议有助于优化电路性能（参考图1和图2）：
使用去耦电容对电源引脚进行低频和高频缓冲。对于高频，并联使用100nf和100pf电容，并将它们安置在距离电源引脚不到6mm的位置。对于低频，使用6.8μf钽电容，可距离放大器更远，并允许在其它设备间共享。避免使用窄电源和接地走线，尽量减少走线电感，特别是电源引脚和去耦电容间的走线电感。
由于放大器的输出和反相输入引脚对寄生电容最敏感，因此将输出电阻rs（如需要）靠近输出引脚处，反馈和增益电阻（rf和rg）靠近反相输入，将各自引脚与所有走线电容隔离。
在非反相输入处增加rin和cin占位符，以补偿由反相输入端的寄生电容（cpi）引起的增益峰值。
确定是否需要输出隔离电阻。低寄生电容负载（ cpo，情况则会反转；然而这种情况很少发生。
图5：cpi引起的信号过冲与cpo导致的信号振铃现象。
寄生输入电容cpi
反相输入端（cpi）的寄生电容通常较小（0.5至5pf），由布线杂散电容和表面贴装电阻rg的固有分流电容组成。cpi、rf、rg共同在放大器反馈路径中形成低通特性，在放大器传递函数vo/vi中转换为高通特性。
这种高通特性可在非反相放大器输入端用r-c低通滤波器进行补偿。为此，非反相输入端的输入电容须与反相输入端的寄生电容相匹配（cin = cpi），且rin值必须等于反馈和增益电阻的并联值（rin = rf||rg）。
图6：通过rin-cin消除增益峰值。
图7：通过rin-cin减少过冲。
图6和图7显示了图1中电路的频率和脉冲响应。当放大器以g=2运行时，其中rf = rg为厂商规定的最佳性能电阻值。图6和图7中的其它观察结果包括：
当cpi = 0时，黑色曲线所示的频率和脉冲响应既未出现增益峰值也未出现过冲。对于10mhz的±100mv测试输入，标称增益为6db，脉冲幅度为±200mv。
当cpi = 5pf时，红色曲线所示的频率和脉冲响应显示增益峰值接近21db，过冲为±1v。
在补偿情况下（蓝色曲线），当cin = cpi = 5pf ，且rin = rf||rg = rf/2时，频率和脉冲响应分别显示增益峰值和过冲降低至0.5db和±45mv。
寄生输出电容cpo
放大器输出端（cpo）寄生电容还包含布线杂散电容，但大部分通常来自较大的负载电容，例如瞬态抑制器和电流导引二极管的结电容、电缆电容，模数转换器及其它放大器的输入电容。因此，cpo的总值可低至20pf，也可能达到几个100pf。
综上所述，通常较小的寄生输出电容对传递函数几乎没有影响，但较大的cpo值会导致高增益峰值，并且脉冲响应会延长振铃。图8和图9显示了输出电容为20pf的影响，其增益峰值小于1db，且仅出现低于30mv的小过冲。若需要补偿cpo，则稍微提高rf、rg值即可。
图8：利用较高rf值补偿较小cpo值。
图9：补偿结果显示几乎无法区分的脉冲响应。
与此相反，补偿较大的输出电容十分必要。图10和图11显示了在未进行补偿的情况下，传递函数达到约15db的增益峰值，且cpo为500pf时（红色曲线）脉冲响应中的长时间信号振铃。即使提高rf、rg电阻值，改善效果也十分有限（蓝色曲线）。不过，安置串联电阻（rs）可将放大器输出与容性负载隔离（参见图1电路）。在此模拟中，需要一个仅为3.9ω的小rs值将增益峰降至0.5db以下，同时将信号过冲从±400mv降低到±50mv。
图10：高cpo值需要额外的隔离电阻rs。
图11：通过rs补偿显著改善脉冲响应。
结论
本文中重点探讨的设计以确保放大器的稳定性，总结如下：
应用良好的布线技术将寄生电容降至最低
使用6.8μf、100nf和100pf电容器为电源电压提供低频和高频缓冲
在测试点和待测量走线间插入100ω电阻，隔离探针电容与信号走线
使用数据表中指定的电阻值
进行初始脉冲响应测试，以区分寄生输入和输出电容
通过r-c低通滤波器补偿非反相信号输入端的寄生输入电容
提高rf和rg值，补偿较小寄生输出电容
插入低值隔离电阻rs，补偿较大的寄生输出电容
参考资料
1. an1306，如何规避轨到轨cmos放大器的不稳定性，2007年9月
2. an9663，从电压反馈转换为电流反馈放大器，2006年3月
3. an9420，电流反馈放大器理论与应用，1995年4月
4. an9787，一种了解电流反馈放大器的直观方法，2004年10月
5. an1106，实际电流反馈放大器设计参考，1998年3月
关于作者
tom kugelstadt是瑞萨电子（美国）公司首席应用工程师，为工业系统定义了新的高性能模拟产品。他拥有法兰克福应用科学大学硕士学位，在模拟电路设计领域具备超过35年经验。
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电路板布线技巧
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图6：通过rin-cin消除增益峰值。
图7：通过rin-cin减少过冲。
图6和图7显示了图1中电路的频率和脉冲响应。当放大器以g=2运行时，其中rf = rg为厂商规定的最佳性能电阻值。图6和图7中的其它观察结果包括：
当cpi = 0时，黑色曲线所示的频率和脉冲响应既未出现增益峰值也未出现过冲。对于10mhz的±100mv测试输入，标称增益为6db，脉冲幅度为±200mv。
当cpi = 5pf时，红色曲线所示的频率和脉冲响应显示增益峰值接近21db，过冲为±1v。
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寄生输出电容cpo
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