运放稳定性连载7：环路稳定性主要技巧与经验（1）

实际稳定性测试

完成一阶人工分析后，再用SPICE 仿真来进行合理性检查，我们即能建立起自己的运放电路。如果有一种简便的方法可以判断实际相位余量是否就是我们分析得到的预测结果的话，那么这将带来许多便利。许多实际运放电路都是双极点、二阶及系统响应这些因素占优势。参见图4.16，一个典型的运放Aol 曲线在10Hz 至100Hz 范围内有一个低频极点，在其统一增益转换频率处、或者其后不远处有另一个高频极点。如果采用单纯的电阻反馈，我们会看到环路相位曲线将呈现出双极点系统效应。对于更复杂的运放电路来说，总的环路增益与环路相位曲线通常都是由双极点响应来决定的。二阶系统的闭环行为得到了很好的定义，并能为我们提供一种用于实际稳定性检查的强大技术。


图4.16：运放电路的交流行为

图字（上、下）：大部分运放电路都采用众所周知的二阶系统响应行为来进行充分的分析，模拟及进行测试。

大部分运放都有两个极点占优势：
Aol 曲线给出了一个低频极点fp1
Aol 曲线还有一个高频极点fp2
fp2 通常位于fcl 处以获得统一增益
这就在统一增益处产生45 度的相位余量

图4.17 给出了详细的实际暂态稳定性测试。将一个小幅度方波馈入闭环运放电路中作为VIN源，在环路增益带宽中选择一个频率，但这个频率要足够高以便于触发示波器。1kHz对大部分应用来都说是一个不错的测试频率。调整VIN以使VOUT为200mVpp或更小。我们感兴趣的是电路的小信号交流行为，以找出交流稳定工作点。为此，我们不希望在输出上有较大的信号摆动，这可能也包含了一些大信号限制，例如摆动速率、输出电流限制或输出级电压饱和等。Voffset提供了一种机制，以在整个输出电压范围内上下移动输出电压以寻找在所有工作点条件下的交流稳定工作点。对许多电路（尤其是驱动容性负载的电路）来说，最差的稳定性情况是输出接近于零（对双电源运放应用）、且直流负载电流很小或完全没有的时候，因为这样会导致运放的开环小信号阻抗RO达到最大值。记下方波输出上的过冲与振铃量，并将其与图4.18 所示的二阶瞬态曲线进行对比。从与您的测量电路最匹配的曲线上记下相应的阻尼系数。在图4.19 中 的二阶阻尼系数比相位余量曲线的y轴上找出此相应的阻尼系数，X轴包含了二阶电路的相位余量。


图4.17：实际瞬态稳定性测试

图字：测试技巧：
- 选择测试频率< - 调整VIN幅度以产生“小信号”交流输出方波
- 通常最坏情况是当Voffset=0 时→ 最大运放RO值 (IOUT=0)
- 任意改变Voffset来检验所有输出工作点，以找出稳定工作点
- 令范围＝交流耦合与扩展垂直范围刻度，以便找出VOUT小信号方波上的过冲、下冲及振铃量。


图4.18：二阶瞬态曲线

摘自：Dorf, Richard C.，“现代控制系统”，Addison-Wesley 出版公司，麻省雷丁，第三版，1981年。


图4.19：二阶阻尼系数比相位余量

摘自：Dorf, Richard C.，“现代控制系统”，Addison-Wesley 出版公司，麻省雷丁，第三版，1981年。

参考文献：
1、Frederiksen，Thomas M. ，“直观运放，从基础到应用”，修订版，McGraw-Hill 出版公司，纽约，1988
2、Dorf，Richard C.，“现代控制系统”， Addison-Wesley 出版公司，麻省雷丁，第三版，1981 年。
3、Smith，Ralph J.，“电路、器件与系统” ，John Wiley & Sons 出版公司，纽约，第三版，1973 年。