Part 01

前言

關(guān)于運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)，其中很重要也很容易被忽略的一個(gè)設(shè)計(jì)要考慮的重點(diǎn)就是運(yùn)放電路的穩(wěn)定性分析，運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性是電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。如果運(yùn)放工作不穩(wěn)定，可能會引發(fā)振蕩、失真，甚至使整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作。那么什么是運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性分析呢？

穩(wěn)定性是指運(yùn)放對輸入信號的響應(yīng)能否在一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。如果運(yùn)放輸出在反饋回路中出現(xiàn)持續(xù)振蕩，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。有兩個(gè)指標(biāo)要考慮，一個(gè)是增益裕度（也就是Gain Margin）：增益裕度表征了系統(tǒng)在相位裕度為0°時(shí)的增益水平，增益裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定。另一個(gè)指標(biāo)是相位裕度（也就是Phase Margin）：相位裕度表征了系統(tǒng)在增益為0 dB時(shí)的相位超前量，通常相位裕度需要大于45°以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

接下來我們就以運(yùn)放輸出存在振蕩的實(shí)際例子來教大家學(xué)習(xí)一下如何通過運(yùn)放穩(wěn)定性分析找到導(dǎo)致電路輸出振蕩的原因所在。

Part 02

分析實(shí)例-原理圖以及輸出波形

我們要分析的電路是一個(gè)同相放大電路，放大電路的增益是10，輸入信號是幅值為10mV，頻率為50KHz的方波，電路原理圖如下：

運(yùn)放電路輸出端波形理論上來說應(yīng)該是幅值為100mV，頻率為50KHz的方波，但是通過仿真發(fā)現(xiàn)電路輸出端波形存在嚴(yán)重的振蕩問題，輸入波形如下：

Part 03

問題分析方法

閉環(huán)增益和開環(huán)增益的計(jì)算方式如下：

Acl=Aol/(1+Aol*β)

Acl：運(yùn)放電路閉環(huán)增益

Aol：運(yùn)放開環(huán)增益

β：閉環(huán)電路反饋因子

當(dāng)分母1+Aol*β=0時(shí)，運(yùn)放電路閉環(huán)增益Acl就會等于無窮大，這樣運(yùn)放電路就會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)Aol*β=-1，所以分析運(yùn)放穩(wěn)定性就是在分析在運(yùn)放的帶寬范圍內(nèi)，會不會出現(xiàn)Aol*β=-1的問題。

20logAol*β=20logAol-20log(1/β)

這樣分析運(yùn)放穩(wěn)定性問題就簡化成了分析Aol和1/β關(guān)系的問題了，這樣我們就可以通過仿真來分別分析Aol和1/β的幅頻特性曲線和相頻特性曲線來得到Aol*β的幅頻特性曲線和相頻特性，來評估在帶寬范圍內(nèi)會不會出現(xiàn)Aol*β=-1的問題。

由于SPICE仿真軟件開環(huán)仿真分析會有問題，為了解決此問題，通過用很大的電感值可確保環(huán)路在直流上閉合，通過很大的電容值可確保交流小信號源與直流隔開。再引入激勵(lì)信號AC1，這樣我們可以通過下面的電路來實(shí)現(xiàn)Aol和1/β以及Aol*β的分析：

開環(huán)增益：Avo=VOUT/VFB
反饋因子：1/β=VIN/VFB
Avo*β=VOUT/VIN
仿真得到Avo以及1/β：

仿真得到Avo*β：

通過仿真發(fā)現(xiàn)Avo*β為0dB時(shí)，相位裕度僅為10.8°，不滿足相位裕度最低45°的要求，所以輸出就會有振蕩的問題。

Part 04

如何解決輸出振蕩問題

1.頻率補(bǔ)償

通過在反饋路徑中添加補(bǔ)償電容降低高頻增益，從而增加相位裕度。

內(nèi)部補(bǔ)償： 部分運(yùn)放自帶補(bǔ)償電容，設(shè)計(jì)中無需額外添加。

外部補(bǔ)償： 在反饋網(wǎng)絡(luò)中添加補(bǔ)償元件（如米勒電容）。

零點(diǎn)補(bǔ)償： 在反饋回路中引入適當(dāng)?shù)牧泓c(diǎn)抵消不利極點(diǎn)。

2.減少容性負(fù)載

為容性負(fù)載設(shè)計(jì)阻容隔離網(wǎng)絡(luò)（如在輸出端串聯(lián)小電阻）。

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