PD放大電路的穩(wěn)定性分析

運(yùn)放負(fù)反饋電路里面的穩(wěn)定性分析，在很多資料里面都是以大篇幅出現(xiàn)，而在我實(shí)際工作中卻幾乎沒有遇到過穩(wěn)定性問題。唯一的一次，就是測(cè)試別人的PD放大電路，但是這塊電路板出現(xiàn)震蕩問題，不是由于PD前級(jí)放大電路，而是因?yàn)楹竺娴母唠A有源濾波器，因?yàn)槲野堰@個(gè)濾波器斷開后就沒事了。單獨(dú)仿真這個(gè)有源濾波器，也會(huì)發(fā)現(xiàn)它的相位裕量小于45°。震蕩的表現(xiàn)為，電路板上電后，輕微一跺腳，時(shí)域信號(hào)都會(huì)劇烈波動(dòng)一會(huì)……不過雖然穩(wěn)定性問題幾乎沒有遇到過，但是既然前人花了那么大精力總結(jié)這個(gè)經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)谧鲭娐窌r(shí)候還是注意一下吧，因?yàn)榍懊嬗械氖菫槲覀兞可矶ㄖ频腻e(cuò)誤在等著呢。

從時(shí)域分析不穩(wěn)定放大電路的特點(diǎn)，就是Vout和反饋到Vin-的信號(hào)出現(xiàn)的相位差，負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?。從?shù)學(xué)上看不穩(wěn)定放大電路的特點(diǎn)，就是傳遞函數(shù)Vo/Vi=β/(1+β*Aol)，其中(1+β*Aol)=0，即β*Aol=-1——這在數(shù)學(xué)上是不成立的。其實(shí)這里不用太糾結(jié)，背后有很嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，我們只要記住穩(wěn)定性判據(jù)，會(huì)用就行。

圖0 圖有誤。單位圓中當(dāng)AOL*β與1的夾角180°時(shí)候矢量和為0

容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題的放大電路，我現(xiàn)在覺得只有兩種，一種是運(yùn)放驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載，比如運(yùn)放以緩沖器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載作為SAR型ADC的參考源輸入、運(yùn)放直接驅(qū)動(dòng)MOS管等;另一種就是有電容接到了Vin-這個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如PD放大電路，因?yàn)閺腜D的等效模型中就可以看出，它里面有個(gè)寄生電容。

下面運(yùn)用仿真軟件分析下PD放大電路的穩(wěn)定性。通常設(shè)計(jì)PD放大電路的步驟是，先把Cf選好、穩(wěn)定性無(wú)問題后才能關(guān)注帶寬。因?yàn)镃f大小關(guān)系到帶寬和電路的穩(wěn)定性。所以在確定好了Rf之后，接著就要確定Cf，保證電路穩(wěn)定性無(wú)問題后再往后走。仿真放大電路的穩(wěn)定性有三種方法，瞬態(tài)分析看它的階躍響應(yīng)是否它的震蕩情況，AC頻域分析看它的幅頻峰化，開環(huán)分析看(Aol*β)=0 dB的相位裕量。本文只用第一種和第三種進(jìn)行仿真分析，因?yàn)樗矐B(tài)分析比較直觀，開環(huán)分析能夠非常直接的給出相位裕量具體數(shù)值。

先搭建下電路。根據(jù)S12698-02的規(guī)格書找到相應(yīng)的分布參數(shù)用于搭建電路。參見圖2、圖4。

圖1 S12698-02的寄生參數(shù)包括：C=700pF，Rsh=0.1G

圖2 AD795開環(huán)仿真電路

圖3 Cf=0f時(shí)的仿真結(jié)果，相位裕量不夠即小于45°

圖4 AD795瞬態(tài)仿真電路圖

圖5 瞬態(tài)分析結(jié)果，可以看到電路在階躍輸入的輸出波形中有很多抖動(dòng)，這就是不穩(wěn)定的表現(xiàn)。

圖6 當(dāng)Cf=50pf時(shí)候，相位裕量足夠了即大于了45°

圖7 Cf=50pf，時(shí)域電路仿真波形也沒有抖動(dòng)了

以上通過仿真對(duì)比了PD放大電路有沒有Cf時(shí)的表現(xiàn)。最后再簡(jiǎn)單看下開環(huán)仿真放大電路穩(wěn)定性的推導(dǎo)。參見圖8。

圖8 當(dāng)Vin=1時(shí)候，Avoβ=Vout

如何得到(Aol*β)的幅頻曲線呢?首先因?yàn)?Aol-β)是對(duì)數(shù)形式即log10(Aol*β)，它可以換算成log10(Aol/(1/β))，根據(jù)對(duì)數(shù)的性質(zhì)，最終得到log10(Aol)-log10(1/β)。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上找到AOL和1/β，然后兩者相減，就可以得到Aol*β的幅頻曲線了。參見圖8當(dāng)Vin=1時(shí)候，Aol*β=Vout。

穩(wěn)定性分析理論性非常強(qiáng)，但我覺得實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)候仿真下就行了，然后實(shí)際板卡測(cè)試時(shí)候加個(gè)階躍相應(yīng)看輸出波形來(lái)評(píng)估電路是否穩(wěn)定，裕量是否足夠，這樣批量才更有底氣了。

最后，我看過的、關(guān)于這一主題最好的資料就是TI的高精度實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)放系列的穩(wěn)定性部分了。