运放驱动电容性负载的原理分析和补偿办法

Question

运算放大器的有限开环输出阻抗在我们想驱动容性负载时会带来很多困难，因为当输出阻抗与容性负载连入地时会产生延时的相移。如果3dB的频率足够低，这些都会导致反馈的不稳定性，因为它会加入到频率补偿产生的90°相移中。例如，设想一下要用输出阻抗为200Ω的运算放大器驱动100ft的同轴电缆。两条无边界同轴电缆可以看成是一个3000pF的电容器，这样就形成了一个RC低通电路，在270 kHz处衰减3dB。这个值远低于典型运算放大器的单位增益频率，所以在高频时就很可能产生振荡（例如跟随器）。
1、为什么电容性负载会产生误差，如果负载中有容性器件，假设负载全是容性，负载的电压最大相对输入电压延时π/2，由傅里叶变换可得输出相对于输入的幅频特性曲线和相频特性曲线。假设输入有两个幅值相同:（设为5）频率正弦曲线合成，分别是10HZ和10KHz，由幅频特性曲线和相频相频特性曲线得分别放大0.99和0.1，相移分别是0.001度和80度，可得输出为幅值为5几乎没有相移的10Hz的曲线和幅值为0.5相移80度的曲线两者合成。
2、开环输出时容性负载会引起运放输出的不稳定和系统振荡吗，按我的理解输出最多相对于输入延时90度，应该不会引起系统振荡，最多就是极大地会引起系统延时和波形畸变。
3、闭环输出可能会引起系统的不稳定和振荡，由运放的延时和反馈支路的延时，可能会延时180度，此时负反馈可能会变成正反馈，造成系统振荡和波形畸变。
4、针对运放的这种问题，有什么解决办法，之前在书上看到在晶体管的基极和集电极之间并联电容，原理是什么？不知道这种方法是解决容性负载的问题吗？

Answer 1

因为输出阻抗与电容性负载连入地时会产生相移，导致频率补偿产生的90°相移不稳定。这会引起误差。

如果负载中有容性器件，假设负载全是容性的话，输入电压与输出电压之间会存在相位差，根据傅里叶变换的原理可以得到输出的幅频特性曲线和相频特性曲线。例如，当输入有两个相同幅值的正弦波成分，分别是10Hz和10KHz时，输出的幅频特性曲线分别为0.99和0.1，相移分别为0.001度和80度。可以看到，输出的幅值会有所减小，相位差也会引起相位失真。

为了补偿这种误差，可以采取以下办法：

1. 引入补偿网络：通过在输出端引入合适的补偿网络，来抵消电容性负载带来的相移。补偿网络可以根据负载的特性进行选择和调整，以提高系统的稳定性和性能。
2. 使用专用的驱动器：一些专门设计用于驱动容性负载的放大器或驱动器可以提供更好的性能和稳定性。这些设备通常具有较低的输出阻抗和更好的频率补偿特性，以适应容性负载的需求。
3. 考虑频率补偿：在设计系统时，应该充分考虑频率补偿的影响，并选择合适的补偿方法和技术。这可以包括使用合适的频率补偿电路、选择适当的电容器和电容性负载等。

通过采取这些补偿办法，可以有效解决运放驱动电容性负载时产生的误差和问题，提高系统的性能和稳定性。