利用SPICE進行放大器穩定性分析的兩種方法

作者： JACOB FREET，文章來源： 電子工程專輯

工程師設計運算放大器時，經常使用SPICE仿真來檢查所設計電路的穩定性。SPICE仿真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回路中插入交流斷點，以便使用交流分析測量環路增益(Aol×β)響應，該方法幾乎適用于所有SPICE仿真器。不過，反饋網絡插入斷點的具體位置，可能會對仿真的準確性產生較大的影響。

本文將利用OPA607運算放大器，闡釋工程師在反饋網絡中最常用的兩個插入位置的優缺點。

方法一：在輸出端斷開循環

該穩定性分析方法中，斷開了放大器輸出端的反饋回路。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：穩定性仿真電路在輸出端斷開回路。本文資料來源：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;讓我們來探討一下原因。在圖1的電路中，環路在輸出端使用1TH電感器斷開。重要的是要使用一只非常大的電感器來斷開回路，而不是直接完全斷開連接，這樣仿真仍然可以計算用于分析的直流工作點，但對于交流仿真來說似乎是開路。如果沒有電感器，仿真可能無法找到用于仿真的工作點，或者會找到一個不準確的工作點，無法由于環路在輸出端斷開，而輸入端連接到反饋網絡的輸出端，從輸入源到放大器輸出端的傳遞函數，將等于反饋因子(β)乘以放大器的開環增益(Aol)，通常稱為環路增益。然后，為了獲得相位裕度，可以運行AC仿真，并評估幅度為0dB以上時的環路增益相位。圖2所示為10MHz到100MHz的穩定性仿真結果，相位裕度約為82度。

圖2：使用方法一獲得的穩定性仿真結果。

方法二：在反相節點斷開回路

出了輸出端斷開反饋網絡的另一個合乎邏輯的位置是放大器的反相輸入。圖3顯示了類似于圖1的穩定性仿真示例電路，但斷開環路的位置是放大器的輸入端，而不是輸出端。

圖3：穩定性仿真電路在輸入端斷開回路。

在圖3的電路中，注意添加到電路反饋回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，它們必須作為分立元件重新添加到反饋回路中，因為在輸入端斷開回路會斷開模型的輸入電容與反饋網絡的連接，這會顯著影響響應精度。

大多數放大器數據表中都會列出放大器輸入電容值。對于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，但由于在此示例中同相輸入端接地，因此Cdiff電容器也接地。

通過分析圖3中所示的電路，您可以看到標有“環路增益”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，其中環路增益=Aol×β。電感器同樣起到斷開交流回路的作用，同時也提供適當的直流工作點。

圖4顯示圖3中電路的環路增益仿真響應，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。仿真結果不同的根本原因是什么?您如何從兩個仿真中獲得等效的結果?

圖4：使用方法二獲得的穩定性仿真結果。

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，重要的是要了解可能導致仿真響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于放大器的負載在兩種方法之間有何不同。在方法二中，放大器由反饋網絡加載;這對放大器響應的任何影響都將顯示在環路增益仿真中。然而，方法一將反饋網絡與放大器輸出的負載完全分離，因為輸出端的環路斷點。

對于響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，您可以通過在放大器的輸出端添加一個單獨的負載來表示反饋網絡通常呈現的負載，從而解決方法一的反饋網絡負載問題。圖5顯示了修改后的電路，在OPA607的輸出上有一個等效的700 Ω負載，以考慮反饋網絡的正常負載。在這種情況下，負載是一個簡單的700 Ω，但更復雜的反饋網絡(例如有源濾波器的反饋網絡)需要在等效負載中包含反饋網絡的所有組件。

圖5：方法一中考慮輸出負載的改進電路圖。

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。對于功能模型SPICE仿真而言，這種微小差異在可接受的誤差范圍內。

圖6：使用方法一的改進電路獲取的環路增益仿真結果。

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，那么究竟應該選擇哪種方法進行仿真?答案實際上歸結為您喜歡哪種方法。

在方法一中，不需要搞清放大器的輸入電容，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，但將輸出耦合到了反饋網絡。方法二可以降低具有復雜反饋網絡的電路的復雜性，但對于具有更復雜輸入網絡的電路(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并非說某種方法優于另一種方法，而是要始終確保放大器和反饋網絡在環路斷開的任何地方都具有與閉環電路等效的負載阻抗。

審核編輯 黃宇