作者： JACOB FREET，文章來源： 電子工程專輯

工程師設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器時(shí)，經(jīng)常使用SPICE仿真來檢查所設(shè)計(jì)電路的穩(wěn)定性。SPICE仿真在高速放大器應(yīng)用中尤為常用，因?yàn)槲⑿〉?a href="http://www.solar-ruike.com.cn/tags/電容/" target="_blank">電容和電感都很容易影響電路的穩(wěn)定性。

穩(wěn)定性分析的典型方法是在反饋回路中插入交流斷點(diǎn)，以便使用交流分析測(cè)量環(huán)路增益(Aol×β)響應(yīng)，該方法幾乎適用于所有SPICE仿真器。不過，反饋網(wǎng)絡(luò)插入斷點(diǎn)的具體位置，可能會(huì)對(duì)仿真的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。

本文將利用OPA607運(yùn)算放大器，闡釋工程師在反饋網(wǎng)絡(luò)中最常用的兩個(gè)插入位置的優(yōu)缺點(diǎn)。

方法一：在輸出端斷開循環(huán)

該穩(wěn)定性分析方法中，斷開了放大器輸出端的反饋回路。這是一種相當(dāng)簡(jiǎn)單和流行的方法。圖1顯示了這種方法的典型示例。

圖1：穩(wěn)定性仿真電路在輸出端斷開回路。本文資料來源：德州儀器

運(yùn)算放大器非常有效地展示了兩種方法之間的差異;讓我們來探討一下原因。在圖1的電路中，環(huán)路在輸出端使用1TH電感器斷開。重要的是要使用一只非常大的電感器來斷開回路，而不是直接完全斷開連接，這樣仿真仍然可以計(jì)算用于分析的直流工作點(diǎn)，但對(duì)于交流仿真來說似乎是開路。如果沒有電感器，仿真可能無法找到用于仿真的工作點(diǎn)，或者會(huì)找到一個(gè)不準(zhǔn)確的工作點(diǎn)，無法由于環(huán)路在輸出端斷開，而輸入端連接到反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端，從輸入源到放大器輸出端的傳遞函數(shù)，將等于反饋因子(β)乘以放大器的開環(huán)增益(Aol)，通常稱為環(huán)路增益。然后，為了獲得相位裕度，可以運(yùn)行AC仿真，并評(píng)估幅度為0dB以上時(shí)的環(huán)路增益相位。圖2所示為10MHz到100MHz的穩(wěn)定性仿真結(jié)果，相位裕度約為82度。

圖2：使用方法一獲得的穩(wěn)定性仿真結(jié)果。

方法二：在反相節(jié)點(diǎn)斷開回路

出了輸出端斷開反饋網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)合乎邏輯的位置是放大器的反相輸入。圖3顯示了類似于圖1的穩(wěn)定性仿真示例電路，但斷開環(huán)路的位置是放大器的輸入端，而不是輸出端。

圖3：穩(wěn)定性仿真電路在輸入端斷開回路。

在圖3的電路中，注意添加到電路反饋回路的兩個(gè)額外電容器(Ccm和Cdiff)。這些電容器分別代表放大器的共模和差分輸入電容。使用方法二時(shí)，它們必須作為分立元件重新添加到反饋回路中，因?yàn)樵谳斎攵藬嚅_回路會(huì)斷開模型的輸入電容與反饋網(wǎng)絡(luò)的連接，這會(huì)顯著影響響應(yīng)精度。

大多數(shù)放大器數(shù)據(jù)表中都會(huì)列出放大器輸入電容值。對(duì)于OPA607，共模電容為5.5pF，差分電容為11.5pF。差分電容通常連接到同相輸入端，但由于在此示例中同相輸入端接地，因此Cdiff電容器也接地。

通過分析圖3中所示的電路，您可以看到標(biāo)有“環(huán)路增益”的輸入和輸出之間的傳遞函數(shù)實(shí)際上與圖1中電路的傳遞函數(shù)相同，其中環(huán)路增益=Aol×β。電感器同樣起到斷開交流回路的作用，同時(shí)也提供適當(dāng)?shù)闹绷鞴ぷ鼽c(diǎn)。

圖4顯示圖3中電路的環(huán)路增益仿真響應(yīng)，相位裕度約為91度。細(xì)心的讀者會(huì)很快注意到，該相位裕度比圖2中使用方法一獲得的相位裕度高出近10度。仿真結(jié)果不同的根本原因是什么?您如何從兩個(gè)仿真中獲得等效的結(jié)果?

圖4：使用方法二獲得的穩(wěn)定性仿真結(jié)果。

如何使兩種方法的結(jié)果等效?

要從任一方法中獲得等效結(jié)果，重要的是要了解可能導(dǎo)致仿真響應(yīng)不同的兩個(gè)電路之間的差異。兩種電路之間的根本區(qū)別在于放大器的負(fù)載在兩種方法之間有何不同。在方法二中，放大器由反饋網(wǎng)絡(luò)加載;這對(duì)放大器響應(yīng)的任何影響都將顯示在環(huán)路增益仿真中。然而，方法一將反饋網(wǎng)絡(luò)與放大器輸出的負(fù)載完全分離，因?yàn)檩敵龆说沫h(huán)路斷點(diǎn)。

對(duì)于響應(yīng)不受放大器負(fù)載影響的放大器來說，這可能不是問題，但不可能總是做出這種假設(shè)。OPA607就是這種現(xiàn)象的一個(gè)例子，因?yàn)榉糯笃鞯呢?fù)載直接影響響應(yīng)，從而影響電路的穩(wěn)定性。

幸運(yùn)的是，您可以通過在放大器的輸出端添加一個(gè)單獨(dú)的負(fù)載來表示反饋網(wǎng)絡(luò)通常呈現(xiàn)的負(fù)載，從而解決方法一的反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問題。圖5顯示了修改后的電路，在OPA607的輸出上有一個(gè)等效的700 Ω負(fù)載，以考慮反饋網(wǎng)絡(luò)的正常負(fù)載。在這種情況下，負(fù)載是一個(gè)簡(jiǎn)單的700 Ω，但更復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)(例如有源濾波器的反饋網(wǎng)絡(luò))需要在等效負(fù)載中包含反饋網(wǎng)絡(luò)的所有組件。

圖5：方法一中考慮輸出負(fù)載的改進(jìn)電路圖。

圖6顯示了使用方法一的改進(jìn)電路的新結(jié)果，測(cè)得的相位裕度約為91度，與方法二的結(jié)果相差0.14dB。對(duì)于功能模型SPICE仿真而言，這種微小差異在可接受的誤差范圍內(nèi)。

圖6：使用方法一的改進(jìn)電路獲取的環(huán)路增益仿真結(jié)果。

應(yīng)該選擇哪種方法?

經(jīng)過上述討論，得知可以使用任何一種方法獲得類似的結(jié)果，那么究竟應(yīng)該選擇哪種方法進(jìn)行仿真?答案實(shí)際上歸結(jié)為您喜歡哪種方法。

在方法一中，不需要搞清放大器的輸入電容，但卻需要向放大器輸出添加額外的等效負(fù)載。

方法二中需要了解放大器的輸入電容，但將輸出耦合到了反饋網(wǎng)絡(luò)。方法二可以降低具有復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)的電路的復(fù)雜性，但對(duì)于具有更復(fù)雜輸入網(wǎng)絡(luò)的電路(例如差分放大器)，可能會(huì)搞不清楚如何正確設(shè)置。

總之，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。該分析的最重要結(jié)論并非說某種方法優(yōu)于另一種方法，而是要始終確保放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)在環(huán)路斷開的任何地方都具有與閉環(huán)電路等效的負(fù)載阻抗。

審核編輯 黃宇