運(yùn)算放大器環(huán)路穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)知識(shí)：打破環(huán)路

在我的上一篇信號(hào)鏈基礎(chǔ)文章《運(yùn)算放大器環(huán)路穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)知識(shí)：雙環(huán)路增益的故事》之后，我收到了有關(guān)如何生成我查看過的開環(huán) SPICE 仿真曲線的問題。雖然有很多方法可以做到這一點(diǎn)，但我一直使用的方法是打開或“中斷”循環(huán)，同時(shí)將一個(gè)小信號(hào)注入到高 Z 節(jié)點(diǎn)，并查看循環(huán)中不同點(diǎn)的響應(yīng)。但是您可能對(duì)在哪里中斷循環(huán)、用于中斷循環(huán)的方法以及該方法與其他更正式的循環(huán)穩(wěn)定性方法的比較有其他問題。

讓我們以圖 1 為起點(diǎn)來(lái)深入研究這種方法;我還將解釋為什么我喜歡使用它以及您可能會(huì)遇到挑戰(zhàn)的地方。此過程中最重要的部分之一是了解準(zhǔn)確的環(huán)路增益仿真必須發(fā)生的組件交互。為了使這些可視化更容易，圖 1 顯示了運(yùn)算放大器 (op-amp) 的開環(huán)輸出阻抗 Z O和輸入電容 C IN，用分立元件表示在放大器外部。

請(qǐng)注意，C IN從兩個(gè)共模電容和一個(gè)差分電容簡(jiǎn)化為一個(gè)集總電容。由于 Z O和輸出負(fù)載 C L之間的相互作用，電路的開環(huán)增益曲線會(huì)發(fā)生修改。因此，您不應(yīng)該以將 Z O與 C L或系統(tǒng)中其他負(fù)載隔離的方式來(lái)斷開環(huán)路。

需要發(fā)生的第二個(gè)交互是在反饋組件 R F和 R I以及 C IN之間。反饋分量相互作用導(dǎo)致逆反饋因子 (1/β) 曲線的修改。因此，您不應(yīng)該以將 C IN與其他組件隔離的方式來(lái)中斷循環(huán)。

圖1

Z O和 C IN表示在運(yùn)算放大器外部的典型運(yùn)算放大器電路

圖 2 顯示了可以中斷循環(huán)的最常見位置。第一行中的選項(xiàng)無(wú)效，并且分別阻止了輸出負(fù)載和 Z O之間或放大器反饋網(wǎng)絡(luò)和 C IN之間的適當(dāng)交互。第二行和第三行中的選項(xiàng)可有效捕捉運(yùn)算放大器 Z O和 C IN發(fā)生的主要交互作用。第二行的選項(xiàng)錯(cuò)過了 Z O之間的微妙相互作用以及可能出現(xiàn)在具有無(wú)功輸出阻抗的更高帶寬放大器 (>10-50 MHz) 中的反饋網(wǎng)絡(luò)?？梢栽诓恍薷某跫?jí)電路拓?fù)涞那闆r下實(shí)現(xiàn)此中斷，并且由于它捕獲初級(jí)交互，因此這是最常推薦的方法。

第三行中的選項(xiàng)捕獲所有可能的電路交互，但需要在運(yùn)算放大器的宏模型之外創(chuàng)建運(yùn)算放大器的 Z O或 C IN模型，這反過來(lái)又要求您了解這些組件以及如何對(duì)其進(jìn)行建模。

第三行右下角的選項(xiàng)在包含多個(gè)反饋回路的更高級(jí)電路中很常見，并且只需要對(duì)運(yùn)算放大器輸入電容進(jìn)行外部建模。這些輸入電容通常在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中提供，并且可以使用單個(gè)電容器進(jìn)行建模，如圖 2 中的 C IN所示。

圖 2

可以打破循環(huán)的不同電路位置

下一步是在執(zhí)行開環(huán)仿真時(shí)保持適當(dāng)?shù)闹绷鞴ぷ鼽c(diǎn)。為了獲得準(zhǔn)確的小信號(hào)開環(huán)結(jié)果，運(yùn)算放大器電路必須偏置在線性直流工作區(qū)域。具有 DC 開路反饋環(huán)路的運(yùn)算放大器將產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，該輸出電壓會(huì)根據(jù)哪個(gè)輸入電壓較大而飽和到其中一個(gè)輸出軌中，用作比較器。在這種飽和條件下偏置時(shí)，小信號(hào)開環(huán)分析將不正確，因?yàn)閮?nèi)部電路組件將飽和并且不會(huì)像在其線性工作區(qū)域中那樣表現(xiàn)。斷開環(huán)路的方法必須仍然提供有效的直流工作點(diǎn)，同時(shí)對(duì)交流頻率起到開路的作用。

我被教導(dǎo)的方法使用大電感器和電容器。大電感器在直流時(shí)提供非常低的阻抗(短路);它的大電感值為感興趣的交流頻率 (>0.01 Hz) 提供了非常大的阻抗(開路)。大電容器提供相反的效果，并且在直流時(shí)對(duì)電路呈現(xiàn)非常大的阻抗(開路)，而對(duì)于感興趣的交流頻率則呈現(xiàn)非常小的頻率(短路)。這些影響如圖 3 所示，以一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器緩沖電路為例。開關(guān) SW1 和 SW2 分別代表直流和交流頻率下的電感器和電容器。

圖 3

斷開緩沖電路上的環(huán)路并顯示 L1/C1 在 DC 和 AC 頻率下的影響

使用這些方法，圖 4 以兩種方式打破了圖 1 中原始電路中的反饋回路。左側(cè)電路使用更常用的方法，無(wú)需從外部添加即可正確捕捉運(yùn)算放大器模型的 Z O和 C IN參數(shù)與電路負(fù)載和反饋網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用。正確的電路會(huì)在輸入端斷開環(huán)路，這是一種更穩(wěn)健的方法。它捕獲了輸出阻抗和反饋網(wǎng)絡(luò)之間的輕微相互作用，但需要您添加 C IN外部組件，以考慮其與反饋網(wǎng)絡(luò)阻抗的相互作用。您應(yīng)該將此方法用于具有多個(gè)反饋回路的電路，例如有源濾波器、大多數(shù)伺服回路和一些容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。

圖 4

打破反饋(左)和輸入(右)中的循環(huán)的示例

圖 5 中的方程式使用仿真電路中的 V OUT和 V FB探頭計(jì)算 A OL、1/β 和 A OL β 。

圖 5

從模擬探頭計(jì)算開環(huán)電路參數(shù)的方程

圖 6 顯示了各個(gè)斷路的結(jié)果。結(jié)果表明，兩種方法都產(chǎn)生了幾乎相同的相位環(huán)路增益幅度和相位響應(yīng)，證實(shí)了這兩種方法在大多數(shù)情況下都有效。在我的職業(yè)生涯中，我已經(jīng)多次將這種方法獲得的結(jié)果與其他方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)打破循環(huán)是穩(wěn)健和準(zhǔn)確的，提供了相似的結(jié)果。其他方法當(dāng)然也可以，但需要多次模擬和更高級(jí)的計(jì)算，您必須將結(jié)果粘貼到電子表格中進(jìn)行處理。

圖 6

圖 4 中電路的開環(huán)曲線結(jié)果

為了獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，在斷開電路環(huán)路時(shí)要小心，這樣您就可以保持適當(dāng)?shù)闹绷鞴ぷ鼽c(diǎn)并保留重要的組件交互。對(duì)兩個(gè)輸入都有反饋的更先進(jìn)的電路需要差分分析，它使用一種類似但稍作修改的方法，在差分注入信號(hào)的同時(shí)在兩個(gè)輸入處斷開環(huán)路。仿真結(jié)果也經(jīng)過多次驗(yàn)證，與基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果很好地匹配，前提是您正確模擬了運(yùn)算放大器的 A OL、Z O和 C IN參數(shù)，并且將在構(gòu)建硬件之前解決仿真中的大多數(shù)穩(wěn)定性問題。