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利用SPICE进行放大器稳定性分析的两种方法

时间:2022-03-23 04:39:04 作者:JACOB FREET 阅读:
SPICE仿真中,稳定性分析的典型方法是在反馈回路中插入交流断点,然而插入断点的具体位置,可能会对仿真的准确性产生较大的影响。本文介绍了工程师常用的两种断点插入方法,以及各自的优缺点。并阐释了两种方法仿真结果差异的原因,同时也给出了如何使两种方法等效的具体办法。
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工程师设计运算放大器时,经常使用SPICE仿真来检查所设计电路的稳定性。SPICE仿真在高速放大器应用中尤为常用,因为微小的电容和电感都很容易影响电路的稳定性。

稳定性分析的典型方法是在反馈回路中插入交流断点,以便使用交流分析测量环路增益(Aol×β)响应,该方法几乎适用于所有SPICE仿真器。不过,反馈网络插入断点的具体位置,可能会对仿真的准确性产生较大的影响。

本文将利用OPA607运算放大器,阐释工程师在反馈网络中最常用的两个插入位置的优缺点。

方法一:在输出循环

该稳定性分析方法中,断开了放大器输出端的反馈回路。这是一种相当简单和流行的方法。图1显示了这种方法的典型示例。

图1:稳定性仿真电路在输出端断开回路。本文资料来源:德州仪器

运算放大器非常有效地展示了两种方法之间的差异;让我们来探讨一下原因。在图1的电路中,环路在输出端使用1TH电感器断开。重要的是要使用一只非常大的电感器来断开回路,而不是直接完全断开连接,这样仿真仍然可以计算用于分析的直流工作点,但对于交流仿真来说似乎是开路。如果没有电感器,仿真可能无法找到用于仿真的工作点,或者会找到一个不准确的工作点,无法由于环路在输出端断开,而输入端连接到反馈网络的输出端,从输入源到放大器输出端的传递函数,将等于反馈因子(β)乘以放大器的开环增益(Aol),通常称为环路增益。然后,为了获得相位裕度,可以运行AC仿真,并评估幅度为0dB以上时的环路增益相位。图2所示为10MHz到100MHz的稳定性仿真结果,相位裕度约为82度。

图2:使用方法一获得的稳定性仿真结果。

方法二:在反相节点断开回路

出了输出端断开反馈网络的另一个合乎逻辑的位置是放大器的反相输入。图3显示了类似于图1的稳定性仿真示例电路,但断开环路的位置是放大器的输入端,而不是输出端。

图3:稳定性仿真电路在输入端断开回路。

在图3的电路中,注意添加到电路反馈回路的两个额外电容器(Ccm和Cdiff)。这些电容器分别代表放大器的共模和差分输入电容。使用方法二时,它们必须作为分立元件重新添加到反馈回路中,因为在输入端断开回路会断开模型的输入电容与反馈网络的连接,这会显著影响响应精度。

大多数放大器数据表中都会列出放大器输入电容值。对于OPA607,共模电容为5.5pF,差分电容为11.5pF。差分电容通常连接到同相输入端,但由于在此示例中同相输入端接地,因此Cdiff电容器也接地。

通过分析图3中所示的电路,您可以看到标有“环路增益”的输入和输出之间的传递函数实际上与图1中电路的传递函数相同,其中环路增益=Aol×β。电感器同样起到断开交流回路的作用,同时也提供适当的直流工作点。

图4显示图3中电路的环路增益仿真响应,相位裕度约为91度。细心的读者会很快注意到,该相位裕度比图2中使用方法一获得的相位裕度高出近10度。仿真结果不同的根本原因是什么?您如何从两个仿真中获得等效的结果?

图4:使用方法二获得的稳定性仿真结果。

如何使两种方法的结果等效

要从任一方法中获得等效结果,重要的是要了解可能导致仿真响应不同的两个电路之间的差异。两种电路之间的根本区别在于放大器的负载在两种方法之间有何不同。在方法二中,放大器由反馈网络加载;这对放大器响应的任何影响都将显示在环路增益仿真中。然而,方法一将反馈网络与放大器输出的负载完全分离,因为输出端的环路断点。

对于响应不受放大器负载影响的放大器来说,这可能不是问题,但不可能总是做出这种假设。OPA607就是这种现象的一个例子,因为放大器的负载直接影响响应,从而影响电路的稳定性。

幸运的是,您可以通过在放大器的输出端添加一个单独的负载来表示反馈网络通常呈现的负载,从而解决方法一的反馈网络负载问题。图5显示了修改后的电路,在OPA607的输出上有一个等效的700 Ω负载,以考虑反馈网络的正常负载。在这种情况下,负载是一个简单的700 Ω,但更复杂的反馈网络(例如有源滤波器的反馈网络)需要在等效负载中包含反馈网络的所有组件。

图5:方法一中考虑输出负载的改进电路图。

图6显示了使用方法一的改进电路的新结果,测得的相位裕度约为91度,与方法二的结果相差0.14dB。对于功能模型SPICE仿真而言,这种微小差异在可接受的误差范围内。

图6:使用方法一的改进电路获取的环路增益仿真结果。

应该选择哪种方法?

经过上述讨论,得知可以使用任何一种方法获得类似的结果,那么究竟应该选择哪种方法进行仿真?答案实际上归结为您喜欢哪种方法。

在方法一中,不需要搞清放大器的输入电容,但却需要向放大器输出添加额外的等效负载。

方法二中需要了解放大器的输入电容,但将输出耦合到了反馈网络。方法二可以降低具有复杂反馈网络的电路的复杂性,但对于具有更复杂输入网络的电路(例如差分放大器),可能会搞不清楚如何正确设置。

总之,两种方法各有优缺点。该分析的最重要结论并非说某种方法优于另一种方法,而是要始终确保放大器和反馈网络在环路断开的任何地方都具有与闭环电路等效的负载阻抗。

(参考原文:Two methods for SPICE-based amplifier stability analysis )

本文为《电子工程专辑》2021年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

责编:Amy.wu
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