利用SPICE進行放大器穩定性分析的兩種方法

作者 : Jacob Freet,Planet Analog

工程師設計運算放大器時,經常使用SPICE模擬來檢查所設計電路的穩定性。SPICE模擬在高速放大器應用中尤為常用,因為微小的電容和電感都很容易影響電路的穩定性…

工程師設計運算放大器時,經常使用SPICE模擬來檢查所設計電路的穩定性。SPICE模擬在高速放大器應用中尤為常用,因為微小的電容和電感都很容易影響電路的穩定性。

穩定性分析的典型方法是在反饋迴路中插入交流中斷點,以便使用交流分析測量迴路增益(Aol × β)回應,該方法幾乎適用於所有SPICE模擬器。不過,回饋網路插入中斷點的具體位置,可能會對模擬的準確性產生較大的影響。

本文將利用OPA607運算放大器,闡釋工程師在回饋網路中最常用的兩個插入位置的優缺點。

方法一:在輸出端斷開迴圈

該穩定性分析方法中,斷開了放大器輸出端的反饋迴路。這是一種相當簡單和流行的方法,圖1顯示了這種方法的典型示例。

 

圖1:穩定性模擬電路在輸出端斷開迴路。

(來源:德州儀器)

 

運算放大器非常有效地展示了兩種方法之間的差異;讓我們來探討原因。在圖1的電路中,迴路在輸出端使用1TH電感器斷開。重要的是要使用一個非常大的電感器來斷開迴路,而不是直接完全斷開連接,這樣模擬仍然可以計算用於分析的直流工作點,但對於交流模擬來說似乎是開迴路。如果沒有電感器,模擬可能無法找到用於模擬的工作點,或者會找到一個不準確的工作點,無法正確表示實際電路行為。

由於迴路在輸出端斷開,而輸入端連接到回饋網路的輸出端,從輸入源到放大器輸出端的傳遞函數,將等於回饋因數(β)乘以放大器的開迴路增益(Aol),通常稱為迴路增益。然後,為了獲得相位裕度,可以執行AC模擬,並評估幅度為0dB以上時的迴路增益相位。圖2所示為10MHz~100MHz的穩定性模擬結果,相位裕度約為82度。

 

圖2:使用方法一獲得的穩定性模擬結果。

(來源:德州儀器)

 

方法二:在反相節點斷開迴路

出了輸出端,斷開回饋網路的另一個合乎邏輯的位置是放大器的反相輸入。圖3顯示了類似於圖1的穩定性模擬示例電路,但斷開迴路的位置是放大器的輸入端,而不是輸出端。

 

圖3:穩定性模擬電路在輸入端斷開迴路。

(來源:德州儀器)

 

在圖3的電路中,注意添加到電路反饋迴路的兩個額外電容器(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,它們必須作為離散元件重新添加到反饋迴路中,因為在輸入端斷開迴路會斷開模型的輸入電容與回饋網路的連接,這會顯著影響回應精準度。

大多數放大器資料表中都會列出放大器輸入電容值。對於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,但由於在此示例中同相輸入端接地,因此Cdiff電容器也接地。

透過分析圖3中所示的電路,可以看到標有「迴路增益」的輸入和輸出之間的傳遞函數實際上與圖1中電路的傳遞函數相同,其中迴路增益= Aol × β。電感器同樣發揮斷開交流迴路的作用,同時也提供適當的直流工作點。

圖4顯示圖3中電路的迴路增益模擬回應,相位裕度約為91度。細心的讀者會很快注意到,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。模擬結果不同的根本原因是什麼?如何從兩個模擬中獲得等效的結果?

 

圖4:使用方法二獲得的穩定性模擬結果。

(來源:德州儀器)

 

如何使兩種方法的結果等效?

要從任一方法中獲得等效結果,重要的是要瞭解可能導致模擬回應不同的兩個電路之間的差異,兩種電路之間的根本區別在於放大器的負載在兩種方法之間有何不同。在方法二中,放大器由回饋網路載入;這對放大器回應的任何影響都將顯示在迴路增益模擬中。然而,方法一將回饋網路與放大器輸出的負載完全分離,因為輸出端的迴路中斷點。

對於回應不受放大器負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。OPA607就是這種現象的一個例子,因為放大器的負載直接影響響應,從而影響電路的穩定性。

幸運的是,可以透過在放大器的輸出端添加一個單獨的負載來表示回饋網路通常呈現的負載,從而解決方法一的回饋網路負載問題。圖5顯示了修改後的電路,在OPA607的輸出上有一個等效的700Ω負載,以考慮回饋網路的正常負載。在這種情況下,負載是一個簡單的700Ω,但更複雜的回饋網路(例如主動濾波器的回饋網路)需要在等效負載中包含回饋網路的所有元件。

 

圖5:方法一中考慮輸出負載的改進電路圖。

(來源:德州儀器)

 

圖6顯示了使用方法一的改進電路的新結果,測得的相位裕度約為91度,與方法二的結果相差0.14dB。對於功能模型SPICE模擬而言,這種些微的差異在可接受的誤差範圍內。

 

圖6:使用方法一的改進電路獲取的迴路增益模擬結果。

(來源:德州儀器)

 

應該選擇哪種方法?

經過上述討論,得知可以使用任何一種方法獲得類似的結果,那麼究竟應該選擇哪種方法進行模擬?答案實際上歸結為你喜歡哪種方法。

在方法一中,不需弄清楚放大器的輸入電容,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,但將輸出耦合到了回饋網路。方法二可以降低具有複雜回饋網路的電路的複雜性,但對於具有更複雜輸入網路的電路(例如差分放大器),可能會搞不清楚如何正確設置。

總之,兩種方法各有優缺點。該分析的最重要結論並非說某種方法優於另一種方法,而是要始終確保放大器和回饋網路在迴路斷開的任何地方都具有與閉迴路電路等效的負載阻抗。

(參考原文:Two methods for SPICE-based amplifier stability analysis,by Jacob Freet)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20223月號

 

 

 

 

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