為什么是45度相位運(yùn)算放大器環(huán)路穩(wěn)定性概述

在運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性方面,一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是允許45度相位邊緣.其他設(shè)計(jì)指南說,60度是最好的;還有人說30度就足夠了。這些數(shù)字都是為了確保在一系列變量上的穩(wěn)定性能,但是讓我們看看影響穩(wěn)定性的因素,以及這些經(jīng)驗(yàn)法則是如何產(chǎn)生的。

首先,讓我們簡(jiǎn)單概述一下相位差幅。相位邊緣是環(huán)增益等于0分貝的頻率下的環(huán)路增益的相位。為了確保一個(gè)穩(wěn)定的反饋循環(huán),循環(huán)必須保持負(fù)反饋.有內(nèi)外因素改變了反饋環(huán)的相位,如果相位改變足夠多,負(fù)反饋的明顯極性就會(huì)越來越接近正反饋。

階段引導(dǎo)以正值表示,階段滯后以負(fù)值表示。影響移相的因素有:逆變反饋的固有相位滯后、放大器開環(huán)增益(AOL)中的主要和非主要極性引入的相位滯后,以及放大器外部元件引入的相移。

可以用餅圖將反饋環(huán)的相移可視化,因?yàn)?60度相移與360度的圓相對(duì)應(yīng)。每一個(gè)相位滯后的來源都將占據(jù)越來越多的餡餅.一旦你達(dá)到360度,你已經(jīng)消耗了你的整個(gè)相位邊緣,電路是不穩(wěn)定的。相滯表示為負(fù)相移,相鉛表示為正相移。

如果總位移是--逆變反饋的180度,--主導(dǎo)AOL極90度,非主導(dǎo)AOL極20度,外部組件10度,那么在放大器達(dá)到-360相移之前,有-60度相移,正反饋。

在一個(gè)放大器的經(jīng)典雙桿近似下,什么是在過程中變化的主導(dǎo)因素,會(huì)影響循環(huán)穩(wěn)定性?環(huán)路穩(wěn)定性的兩個(gè)最重要的參數(shù)是AOL和開環(huán)輸出阻抗(ZO)。

在操作放大器中最常見的補(bǔ)償方案是米勒補(bǔ)償,它涉及將電容器置于負(fù)反饋中--通常是在第二增益階段--以推動(dòng)優(yōu)勢(shì)極降低頻率,而無需在模具上安裝大電容器。內(nèi)部增益階段的電容器稱為米勒電容器。

但是,由于硅的制造工藝是為硅中晶體管的生成而優(yōu)化的,而硅上的無源元件要比晶體管精確得多,所以AOL中的主導(dǎo)轉(zhuǎn)移將是由于米勒電容器值的變化,以及輸入階段最大AOL的一些變化。

雖然米勒補(bǔ)償減少了在硅中制造非常大的電容器的必要性,但當(dāng)米勒電容器隨過程和溫度變化時(shí),它會(huì)在AOL中產(chǎn)生大量的方差。穩(wěn)定性最糟糕的情況是兩個(gè)因素的結(jié)合:AOL的增加加上一個(gè)較小的米勒電容器會(huì)產(chǎn)生較大的統(tǒng)一增益帶寬。

這就是說,在高頻下,由非占支配極引入的相位滯后會(huì)更嚴(yán)重地降低反饋環(huán)的相位。

運(yùn)算放大器帶寬變化的經(jīng)驗(yàn)法則是,過程之間的變化為30%,溫度之間的變化為30%。該結(jié)構(gòu)設(shè)置了開環(huán)輸出阻抗,可以看到過程中的變化,因此,一個(gè)好的近似值大約是15%。正是由于這些因素的方差,以及放大器在過程上的其他參數(shù)變化,才促使建議的45度相位邊緣。

關(guān)于30度和60度相差的建議有其各自的權(quán)衡:30度相差意味著對(duì)過程和溫度變化有更多的過高,以及少量制造系統(tǒng)可能不穩(wěn)定的可能性。然而,它可能會(huì)給更快的解決時(shí)間。另一方面,60度的相位邊緣將會(huì)降低放大器輸出的最大過高,但由于這是一個(gè)更阻尼的系統(tǒng),權(quán)衡是一個(gè)較慢的沉降時(shí)間。

在大多數(shù)情況下,45度相位差是一個(gè)很好的規(guī)則。對(duì)于經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試的高速應(yīng)用程序,30度相距是可以接受的。對(duì)于不能容忍過遠(yuǎn)射的敏感系統(tǒng),設(shè)計(jì)60度相位邊緣是有幫助的。

米勒電容器的變化將驅(qū)動(dòng)操作放大器中主極位置的巨大變化。這一點(diǎn),再加上輸入階段增益的變化,可能導(dǎo)致相位邊緣不足的系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。

在你的設(shè)計(jì)中允許45度的相位邊緣,將保護(hù)它不受制造業(yè)中大部件公差造成的大位移的影響。