在精密模擬電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，運(yùn)放穩(wěn)定性問(wèn)題猶如隱藏在暗處的陷阱，常常潛伏于看似合理的參數(shù)配置之中。以經(jīng)典的 Sallen - Key 二階低通濾波器為例，當(dāng)負(fù)載電容（CL）超過(guò) 100pF 時(shí)，未經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放極有可能因相位裕度不足（PM < 45°）而引發(fā)振蕩現(xiàn)象。這將導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn) 10% 以上的幅度過(guò)沖，甚至產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩，嚴(yán)重影響電路的正常運(yùn)行。本文將通過(guò)深入的理論分析以及詳實(shí)的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，揭示容性負(fù)載補(bǔ)償過(guò)程中常見(jiàn)的誤區(qū)。同時(shí)，結(jié)合 LTspice 仿真和硬件驗(yàn)證，提出一套基于相位裕度優(yōu)化的補(bǔ)償方法，旨在使濾波器在 500pF 容性負(fù)載的情況下，仍能保持 65° 以上的相位裕度。

Sallen - Key 濾波器的穩(wěn)定性隱患

容性負(fù)載的相位滯后效應(yīng)

傳統(tǒng)的 Sallen - Key 濾波器（如圖 1 所示），其閉環(huán)傳遞函數(shù)包含兩個(gè)極點(diǎn)。其中，自然頻率和品質(zhì)因數(shù)都有特定的計(jì)算公式。當(dāng)負(fù)載電容 CL 并聯(lián)至輸出端時(shí)，實(shí)際負(fù)載發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致極點(diǎn)位置向虛軸偏移。極點(diǎn)位置的改變會(huì)使相位裕度惡化，從而增加了電路不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

插入圖 1 的圖片鏈接，但原文未明確給出圖片對(duì)應(yīng)的 node_id_488 具體指向的圖片鏈接，若有實(shí)際鏈接可替換此處)

反饋電阻的寄生電容陷阱

反饋電阻 RF 的寄生電容（CP）與運(yùn)放輸出阻抗（RO）會(huì)形成高頻零點(diǎn)。在典型的 0603 封裝電阻中，CP 可達(dá) 0.3 ~ 0.5pF。當(dāng) RF = 10kΩ 時(shí)，零點(diǎn)頻率位于 318MHz ~ 530MHz。這個(gè)高頻零點(diǎn)與運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益交越時(shí)，可能會(huì)引入額外的相位滯后。例如，某 AD822 運(yùn)放在 CL = 100pF、RF = 10kΩ 條件下，實(shí)測(cè)相位裕度僅為 38°，而去除 RF 寄生電容后，相位裕度恢復(fù)至 52°。這充分說(shuō)明了反饋電阻寄生電容對(duì)運(yùn)放相位裕度的影響。

容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)膶?shí)戰(zhàn)誤區(qū)

盲目串聯(lián)隔離電阻

傳統(tǒng)方法通常會(huì)在運(yùn)放輸出端串聯(lián)電阻（RS）來(lái)隔離容性負(fù)載。然而，RS 的取值需要滿足一定的條件，其中涉及運(yùn)放輸出引腳封裝電感（典型值 5 ~ 10nH）。若 CL = 500pF，則 RS 需 > 3.2Ω。但過(guò)大的 RS 會(huì)降低閉環(huán)帶寬（BW）。當(dāng) RS = 10Ω、RF = 10kΩ 時(shí)，帶寬下降至原值的 33%，這會(huì)導(dǎo)致濾波器通帶內(nèi)幅頻響應(yīng)出現(xiàn)凹陷，影響濾波器的性能。

補(bǔ)償電容配置不當(dāng)

在反饋網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)補(bǔ)償電容（CC）時(shí)，如果 CC 選擇不當(dāng)，可能會(huì)引入新的極點(diǎn)對(duì)。若 CC = 10pF、RF = 10kΩ、RG = 1kΩ，則極點(diǎn)對(duì)位于 1.59MHz 和 15.9MHz。當(dāng)運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益交越頻率（GBW / Aol）位于該頻段時(shí)，相位裕度可能不升反降。例如，某 OPA2188 在 CC = 10pF 時(shí)，實(shí)測(cè)相位裕度從 42° 惡化至 37°。

分段補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

• 低頻段補(bǔ)償：在 RF 上串聯(lián) 5Ω 電阻（RS1），其作用是吸收 CL 引起的低頻極點(diǎn)，從而改善低頻段的穩(wěn)定性。
• 高頻段補(bǔ)償：在 RF 與地之間并聯(lián) 2.2pF 電容（CC1），用于抵消 RF 寄生電容引入的高頻零點(diǎn)，提高高頻段的性能。
• 阻抗匹配：在運(yùn)放輸出端串聯(lián) 3.3Ω 電阻（RS2），配合 CL 形成阻尼網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減少反射和振蕩。

硬件驗(yàn)證結(jié)果

在某音頻前級(jí)濾波器（fc = 10kHz，Q = 0.707）中應(yīng)用上述技術(shù)后，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

時(shí)域測(cè)試表明，優(yōu)化后輸出信號(hào)過(guò)沖從 22% 降低至 1.5%，建立時(shí)間從 120μs 縮短至 35μs。這充分證明了優(yōu)化補(bǔ)償策略的有效性。

結(jié)論

本文通過(guò) Sallen - Key 濾波器，詳細(xì)揭示了容性負(fù)載補(bǔ)償中隔離電阻與補(bǔ)償電容的選型陷阱，并提出了基于環(huán)路增益分析的優(yōu)化方法。在某工業(yè)傳感器調(diào)理電路中應(yīng)用該技術(shù)后，設(shè)備在 500pF 容性負(fù)載下的長(zhǎng)期測(cè)試通過(guò)率從 68% 提升至 99%，故障間隔時(shí)間（MTBF）延長(zhǎng)至原來(lái)的 4.2 倍。