放大器輸出阻抗的參數(shù)計(jì)算與仿真

真實(shí)放大器內(nèi)部存在開(kāi)環(huán)輸出阻抗，它會(huì)在濾波器、容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用電路中，影響電路性能或者穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)手冊(cè)中多提供閉環(huán)輸出阻抗，本篇將結(jié)合仿真，分析開(kāi)環(huán)輸出阻抗的求解方式。

1 開(kāi)環(huán)輸出阻抗與閉環(huán)輸出電阻區(qū)別

放大器的輸出阻抗包括開(kāi)環(huán)輸出阻抗 Zo 與閉環(huán)輸出阻抗 Zout。開(kāi)環(huán)輸出阻抗是串聯(lián)在放大器內(nèi)部第二級(jí)(放大級(jí))之后與放大器的輸出引腳之間的阻抗，如圖 2.153。

圖 2.153 放大器輸出阻抗直流特征示意圖

當(dāng)放大器的輸出連接負(fù)載電容，反饋電容、或者輸出雜散電容過(guò)大時(shí)，開(kāi)環(huán)輸出阻抗與這些電容共同作用會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，甚至影響放大器的穩(wěn)定性。由于放大器開(kāi)環(huán)增益很大，導(dǎo)致開(kāi)環(huán)輸出阻抗的測(cè)量不容易實(shí)現(xiàn)。所以，引入閉環(huán)輸出阻抗的概念。它定義為放大器在指定閉環(huán)增益、指定頻率時(shí)，輸出電壓 Vout 與輸出電流 Iout 的比值。

如圖 1.154，在 1MHz 頻率處，閉環(huán)增益為+1 倍時(shí)，ADA4625 閉環(huán)輸出阻抗為 2Ω。閉環(huán)增益為+10 倍時(shí)，ADA4625 的閉環(huán)輸出阻抗為 18Ω。閉環(huán)增益為+100 倍時(shí)，ADA4625 的閉環(huán)輸出阻抗為 29Ω。

圖 2.154 ADA4625 閉環(huán)輸出阻抗

2 開(kāi)環(huán)輸出阻抗計(jì)算與仿真

如圖 2.153 電路中反饋系數(shù)，如式 2-86。

放大器內(nèi)部第二級(jí)輸出電壓，如式 2-87。

輸入信號(hào)，如式 2-88。

包含開(kāi)環(huán)輸出阻抗參數(shù)的輸出電壓，如式 2-89。

根據(jù)定義閉環(huán)輸出阻抗函數(shù)，如式 2-90。

將式 2-86 至式 2-89 代入式 2-90，得到開(kāi)環(huán)輸出阻抗與閉環(huán)輸出阻抗關(guān)系如式 2-91。

整理得到開(kāi)環(huán)輸出阻抗，如式 2-92。

可見(jiàn)，開(kāi)環(huán)輸出阻抗為閉環(huán)輸出阻抗的 1+Avoβ倍。

使用 ADA4625-1 實(shí)現(xiàn)電路，閉環(huán)增益為 1，在 1MHz 時(shí)閉環(huán)輸出阻抗為 2Ω。如圖 2.155 為 ADA4625 數(shù)據(jù)手冊(cè)開(kāi)環(huán)增益與頻率曲線，1MHz 處開(kāi)環(huán)增益大約為 23dB（14.12 倍），代入式 2-92 計(jì)算開(kāi)環(huán)輸出阻抗為：

圖 2.155 ADA4625-1 開(kāi)環(huán)增益與頻率曲線

這種計(jì)算輸出阻抗的誤差主要在 1MHz 處對(duì)，開(kāi)環(huán)增益的估計(jì)讀數(shù)誤差。它容易受到對(duì)數(shù)坐標(biāo)系、曲線粗細(xì)等因素的影響。所以，使用 LTspice 仿真進(jìn)一步驗(yàn)證開(kāi)環(huán)輸出阻抗的計(jì)算結(jié)果。如圖 2.156，將 ADA4625 配置為開(kāi)環(huán)增益與環(huán)路增益仿真的單位增益電路，其中開(kāi)環(huán)增益(Avo)為 Vout/Vin,閉環(huán)增益(1/β)為 Vout/Vfb,環(huán)路增益（Avoβ）為 Vfb/Vin。

圖 2.156 ADA4525-1 環(huán)路增益仿真電路

AC 分析結(jié)果如圖 2.157，1MHz 處環(huán)路增益（Avoβ）為 22.37dB（13.13 0 711 倍），代入式 2-92 計(jì)算閉環(huán)輸出阻抗約為 28.27Ω，仿真計(jì)算值與讀數(shù)計(jì)算值近似。

圖 2.157 ADA4625-1 環(huán)路增益 AC 分析結(jié)果

放大器輸出阻抗在其應(yīng)用電路中需要具體評(píng)估，例如在放大器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的電路中，輸出阻抗和容性負(fù)載構(gòu)成的極點(diǎn)容易造成電路不穩(wěn)定，以及在有源濾波器電路中，放大器的輸出阻抗與濾波器配置參數(shù)共同作用可能影響濾波器的使用效果。