在上期中，咱们探讨了运用高侧。开关操控。器处理驱动容性负载应战的各种办法。

本期，为咱们带来的是《。运算放大器。根本安稳性概述》，将回答运算放大器电路安稳性范畴的几个重要问题。

运算放大器电路中常见的问题之一是安稳性。本文将回答有关安稳性的三个重要问题：

• 您需求多大的相位裕度才干完结牢靠的规划？

• 怎么补偿不安稳的电路？

• 关于安稳性问题，有哪些直接代替式处理计划？

您需求多大的相位裕度？

运算。放大器。环路安稳性是经过相位裕度丈量的，相位裕度是当输出闭环增益低于单位增益时输出。信号。相移相关于 360 度的差值。每个运算放大器（例如主极点）都固有必定的偏移，而额定的偏移则取决于运用和放大器周围的元件。

不同的经历规律主张运用30、45乃至60 度的相位裕度,那么，您实际需求多大的相位裕度才干保证牢靠的功用呢？关于传统的米勒补偿运算放大器，能够对典型的工艺差异进行。仿真。并调查由此对相位裕度的影响。

图 1 近似核算了具有 1MHz 单位增益带宽且 Zo = 300Ω 的运算放大器的开环增益 (Aol) 和输出阻抗 (Zo)。米勒。电容。(C26)的值因工艺差异而改动的规模约为 ±30%，在整个温度规模内有额定 ±30%（近似值）的改动。这种改动形成的总差错为 ±30% × ±30%，相当于±30% + ±9%或±39%的改动。由于米勒电容的容值会改动运算放大器 Aol中主极点的方位，这种改动会明显影响单位增益带宽和相位裕度，因而这些。规范。一直作为典型值给出，即便关于。精细放大器。和高速放大器也是如此。

图 1：开环增益和输出阻抗 PS。pi。ce f。or。TI。电路。

图 1 中的放大器由负载。电阻。和电容进行设置，以便反应环路具有 45 度的相位裕度。经过对影响环路安稳性的首要因素（米勒。电容器。、开环输出阻抗和放大器周围的无源器材）进行 Mon。te。Carlo 剖析，能够预算工艺差异和温度改动对电路相位裕度的影响程度。

图 2 所示为发生的相位裕度。在本剖析中，我对米勒电容器施加了±40%的改动，对Zo施加了±15%的改动，对负载电容器施加了±10%的改动，对负载。电阻器。施加了±5%的改动。这些是米勒电容器和 Zo 的预期内部容差，以及许多通用运用的典型元件精度。

图 2：针对估量的工艺差异和温度改动进行 5,000 次蒙特卡洛剖析。

在该改动规模内，反应环路的相位裕度最小为 19 度，与 45 度相差 26 度。在工艺差异和温度规模内，假如电路具有大约 27 度的相位裕度，则电路将坚持安稳，尽管 45 度可供给杰出的瞬态功用和安稳时刻。相位裕度越挨近 0 度，输出将越违背终究值，安稳到终究输出值所需的时刻就越长。45 度的相位裕度可供给满足的规划容差，然后答应相位裕度发生改动，而不会影响安稳时刻或呈现大量过冲。

尽管这些仿真有助于了解米勒电容器改动对功用的影响，但终究由。电路规划。人员担任规划的功用。仿真的精确度仅与所包含的非抱负特点相同，假设有许多抱负特点，以便下降核算的密布度。

补偿计划。

在某些状况下，由于电压轨调理、。模数转换器。的滤波电容或。其他电路。需求，无法减小运算放大器输出端的电容器。在这种状况下，怎么完结恰当的相位裕度？有多种补偿计划能够进步相位裕度，但本文将要点介绍两种计划，如图 3 和图 4 所示：阻隔电阻器 (Riso)和Riso 双反应。在规划这些电路时，或许比较难确认您需求多大的 Riso 值来安稳反应环路。

图 3：Riso 补偿计划。

图 4：Riso 双反应计划。

Riso是阻隔由负载电容引进的相位滞后的简略办法。这触及在反应环路和负载电容器之间放置一个电阻器。但有一个缺陷，即当输出有负载。电流。时，直流精度会下降。直流差错的巨细等于阻隔电阻器的值乘以输出电流。

Riso 双反应补偿计划克服了这种直流差错。该电路启用了经过反应电容器的高频途径来安稳反应环路，并启用了直流途径，答应运算放大器补偿阻隔电阻器上的 I × R 压降。您能够经过数学办法或仿真办法来求出这些值，办法是测验不同的 Riso 值并检查哪个值能够完结安稳运转。

咱们测验一种运用数学剖析和仿真成果的办法。

对放大器环路安稳性进行精确建模触及的两个首要因素是开环增益和开环输出阻抗。TI 的规范运算放大器宏模型 Green-Willi。ams。-Lis (GWL)为 2016 年之后发布的一切运算放大器精确表征了这些。参数。。许多更受欢迎的运算放大器（例如 LM2904 及其更新版别 LM2904B）也具有为其创立的 GWL 宏模型。SP。IC。E 宏模型的库文件包含一个头文件，此文件详细说明晰在 SPICE 模型中精确反映的参数。假如对开环增益和开环输出阻抗建模，则模型的安稳性很或许会反映器材的功用。

保证 SPICE 模型的精度使您能够剖析电路的环路安稳性并以数学方法核算 Riso 的抱负值。保证 45 度相位裕度的 Riso 值应在反应环路中的反应因子 (1/β) 和放大器开环增益交点处发生零点。如需进一步保证这点，在开环增益为 20dB 的方位设置零点，您能够看到反应环路中由零点引进的最大正相移。

表 1：用于核算 Riso 双反应的阻隔电阻值和反应重量的公式。

PSpice for TI的强壮功用之一是您能够设置、存档和同享仿真及公式以供后续原理图运用。由于Riso 和 Riso 双反应的评价是公式化的且易于重复，因而您能够运用这些模板工程，而无需记住在四种常见运算放大器电路上核算 Riso 或 Riso 双反应电路的。 Rf。/Cf 的公式。只需。下载。PSpice for TI工程，放入您要剖析的运算放大器，输入用于完结需求安稳的特定电路的参数，然后运转仿真以找到您所需的恰当 Riso 值。这些工程还能够补偿因反相。端子。上的电容而不安稳或具有极大反应电阻的电路。

直接代替式处理计划。

还有一种处理计划适用于不需求额定的补偿电路，或许增加补偿电路不可行的状况。TI 的OPA994器材系列具有一个在整个容性负载规模内都坚持安稳的特别补偿结构，这是能够完结的，由于当输出看到不同的容性负载时，器材的带宽会发生改动。坚持带宽一直低于输出阻抗和容性负载引进的极点，将坚持放大器的安稳性，不管您在输出端放置了什么电容器。图 5 展现了在不运用外部补偿电阻器的状况下，不同负载电容值对应的相位裕度，该图取自 OPA994 数据表。

图 5：各种容性负载对应的相位裕度（单位增益下）。

每一种规划决议计划都顺便必定的本钱和优势，OPA994器材系列也不破例。规划越杂乱，器材就越大，或许比较为简略的器材更贵重。此外，这意味着该器材无法集成到 TI 的超小型封装中，例如 0.64mm2 Extra-Small Outline No-Le。ad。(X2SON) 封装。此规划现在仅在双极放大器中可用，因而假如您需求互补金属氧化物。半导体。(CMOS) 的低输入偏置电流，那么该器材或许具有过高的输入偏置电流。

与 CMOS 器材比较，双极放大器具有许多相关的优势，包含更低的噪声和更大的带宽以及更低的静态电流。能够依据详细电路对双极与 CMOS 进行全面权衡。整体而言，OPA994 在许多状况下可用作“即插即用”处理计划，然后完结安稳性。

结语。

在初始规划阶段，首要的问题是多大的相位裕度足以在工艺差异和温度规模内完结牢靠的功用。假如初始完结的相位裕度不行，则能够运用多种补偿计划将相位裕度增加到可接受的水平。这些处理计划经过PSpice for TI中预装备且易于运用的工程供给。最终，假如已投入生产的工程的确存在安稳性问题，请运用主张的直接代替式处理计划。

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(责任编辑：女性)