真實運放、回授與穩定度

驅動電容性負載(driving a capacitive load)

在運放輸出掛上一顆電容——一條長纜線、ADC 的輸入、壓電元件、MOSFET 閘極——一個原本完全穩定的放大器,會突然鳴震、過衝,甚至徹底振盪。電容並沒有惡意;它只是與運放自身的輸出電阻結合,在回授迴路中添了一道額外的延遲,而那延遲啃掉了讓迴路平靜的安全裕度。

機制如下。運放的輸出電阻 Ro 與負載電容 CL 在頻率 1 / (2 times pi times Ro times CL) 形成一個額外的低通極點。該極點在回授迴路中加入相位延遲,偷走相位裕度。例如:50 Ω 的輸出電阻搭配 1 nF 負載,造一個約 1/(2 times pi times 50 times 1e-9) = 3.2 MHz 的極點;若它落在迴路交越頻率附近,電路便鳴震或振盪。電壓隨耦器是最糟情況,因為它的迴路增益最高。對策:在輸出與電容之間加一顆小的串聯隔離電阻(如 20 到 50 Ω)、加 RC 緩衝(snubber)、從電阻之前取回授、或選一顆規格上標明可驅動電容負載而穩定的運放。

為何重要:電容性負載無所不在——驅動同軸或雙絞線、ADC 的取樣電容、功率 MOSFET 的閘極、或只是一條長的 PCB 走線。一個模擬完美的電路圖,可能純粹因為纜線的電容就在工作檯上振盪。務必查清運放能容忍的負載電容,且一旦必須驅動真實世界的電容負載,立刻動用隔離電阻。

一個電壓隨耦器驅動 2 公尺同軸(約 200 pF)爆出 5 MHz 振盪。在輸出串聯一顆 33 Ω 電阻、回授仍取自運放接腳,便馴服了它——電阻把電容與迴路隔開。

Ro 加 CL 造出一個偷相位的極點;串聯電阻把電容與迴路隔開。

串聯隔離電阻能治振盪,卻自帶壓降,並與負載構成低通濾波器——對高阻抗 ADC 輸入無妨,但對低阻抗負載會使電位下垂。

又稱
cap loadload capacitance容性負載