结合仿真分析开环输出阻抗的求解方式

2021-02-02 08:38

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。