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、出现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：
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）：
图1：具备寄生电容和补偿元件RS、RIN及CIN 的CFB放大器。
图2：无接地窗口的双层PCB推荐布线。
CFB放大器厂商通常指定多个RF值，每个RF值对应不同的增益设置。使用推荐的电阻值可确保最佳性能，而不会带来（或造成很小幅度的）峰值增益或带宽损失；偏离这些值则会改变放大器性能。图3中显示了在信号增益为2时使用不同RF值的情况，可见，当指定值RF=1.1kΩ时达到最佳性能。但当RF提高至1.5kΩ时，出现带宽损失，而当RF降低到600Ω时，会产生增益峰值（图4）。
因此，要获得最佳性能，请遵循厂商建议的RF值。
图3：使用数据表中指定的RF值可确保最佳性能。
图4：偏离指定的RF值会导致增益达到峰值或降低带宽。
为区分输入端（CPI）和输出端（CPO）的寄生电容，可进行脉冲响应测试。CPI通常小于CPO，并会导致短暂信号过冲；而CPO通常会造成信号振铃现象延长（图5）。当然，若CPI > 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。
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：
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。
本文中重点探讨的设计以确保放大器的稳定性，总结如下：
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有超过35年经验。
（原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站，参考链接：Keeping current feedback amplifiers stable。）
责编：Jenny Liao
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