结合仿真,分析开环输出阻抗的求解方式
放大器参数解析与LTspice仿真 2022-09-27
    真实放大器内部存在开环输出阻抗,它会在滤波器、容性负载驱动等应用电路中,影响电路性能或者稳定性。数据手册中多提供闭环输出阻抗,本篇将结合仿真,分析开环输出阻抗的求解方式。

    1 开环输出阻抗与闭环输出电阻区别

    放大器的输出阻抗包括开环输出阻抗Zo与闭环输出阻抗Zout。开环输出阻抗是串联在放大器内部第二级(放大级)之后与放大器的输出引脚之间的阻抗,如图2.153。

图2.153 放大器输出阻抗直流特征示意图

    当放大器的输出连接负载电容,反馈电容、或者输出杂散电容过大时,开环输出阻抗与这些电容共同作用会导致信号失真,甚至影响放大器的稳定性。由于放大器开环增益很大,导致开环输出阻抗的测量不容易实现。所以,引入闭环输出阻抗的概念。它定义为放大器在指定闭环增益、指定频率时,输出电压Vout与输出电流Iout的比值。

    如图1.154,在1MHz频率处,闭环增益为+1倍时,ADA4625闭环输出阻抗为2Ω。闭环增益为+10倍时,ADA4625的闭环输出阻抗为18Ω。闭环增益为+100倍时,ADA4625的闭环输出阻抗为29Ω。

图2.154 ADA4625闭环输出阻抗

    2 开环输出阻抗计算与仿真

    如图2.153电路中反馈系数,如式2-86。

    放大器内部第二级输出电压,如式2-87。

 

    输入信号,如式2-88。

    包含开环输出阻抗参数的输出电压,如式2-89。

    根据定义闭环输出阻抗函数,如式2-90。

    将式2-86至式2-89代入式2-90,得到开环输出阻抗与闭环输出阻抗关系如式2-91。

    整理得到开环输出阻抗,如式2-92。

    可见,开环输出阻抗为闭环输出阻抗的1+Avoβ倍。

    使用ADA4625-1实现电路,闭环增益为1,在1MHz时闭环输出阻抗为2Ω。如图2.155为ADA4625数据手册开环增益与频率曲线,1MHz处开环增益大约为23dB(14.12倍),代入式2-92计算开环输出阻抗为:

图2.155 ADA4625-1开环增益与频率曲线

    这种计算输出阻抗的误差主要在1MHz处对,开环增益的估计读数误差。它容易受到对数坐标系、曲线粗细等因素的影响。所以,使用LTspice仿真进一步验证开环输出阻抗的计算结果。如图2.156,将ADA4625配置为开环增益与环路增益仿真的单位增益电路,其中开环增益(Avo)为Vout/Vin,闭环增益(1/β)为Vout/Vfb,环路增益(Avoβ)为Vfb/Vin。

图2.156 ADA4625-1 环路增益仿真电路

    AC分析结果如图2.157,1MHz处环路增益(Avoβ)为22.37dB(13.13 0 711倍),代入式2-92计算闭环输出阻抗约为28.27Ω,仿真计算值与读数计算值近似。

图2.157 ADA4625-1环路增益AC分析结果

    放大器输出阻抗在其应用电路中需要具体评估,例如在放大器驱动容性负载的电路中,输出阻抗和容性负载构成的极点容易造成电路不稳定,以及在有源滤波器电路中,放大器的输出阻抗与滤波器配置参数共同作用可能影响滤波器的使用效果


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