为什么是45度相位运算放大器环路稳定性概述

在运算放大器的稳定性方面,一个经验法则是允许45度相位边缘.其他设计指南说,60度是最好的;还有人说30度就足够了。这些数字都是为了确保在一系列变量上的稳定性能,但是让我们看看影响稳定性的因素,以及这些经验法则是如何产生的。

首先,让我们简单概述一下相位差幅。相位边缘是环增益等于0分贝的频率下的环路增益的相位。为了确保一个稳定的反馈循环,循环必须保持负反馈.有内外因素改变了反馈环的相位,如果相位改变足够多,负反馈的明显极性就会越来越接近正反馈。

阶段引导以正值表示,阶段滞后以负值表示。影响移相的因素有:逆变反馈的固有相位滞后、放大器开环增益(AOL)中的主要和非主要极性引入的相位滞后,以及放大器外部元件引入的相移。

可以用饼图将反馈环的相移可视化,因为360度相移与360度的圆相对应。每一个相位滞后的来源都将占据越来越多的馅饼.一旦你达到360度,你已经消耗了你的整个相位边缘,电路是不稳定的。相滞表示为负相移,相铅表示为正相移。

如果总位移是--逆变反馈的180度,--主导AOL极90度,非主导AOL极20度,外部组件10度,那么在放大器达到-360相移之前,有-60度相移,正反馈。

在一个放大器的经典双杆近似下,什么是在过程中变化的主导因素,会影响循环稳定性?环路稳定性的两个最重要的参数是AOL和开环输出阻抗(ZO)。

在操作放大器中最常见的补偿方案是米勒补偿,它涉及将电容器置于负反馈中--通常是在第二增益阶段--以推动优势极降低频率,而无需在模具上安装大电容器。内部增益阶段的电容器称为米勒电容器。

但是,由于硅的制造工艺是为硅中晶体管的生成而优化的,而硅上的无源元件要比晶体管精确得多,所以AOL中的主导转移将是由于米勒电容器值的变化,以及输入阶段最大AOL的一些变化。

虽然米勒补偿减少了在硅中制造非常大的电容器的必要性,但当米勒电容器随过程和温度变化时,它会在AOL中产生大量的方差。稳定性最糟糕的情况是两个因素的结合:AOL的增加加上一个较小的米勒电容器会产生较大的统一增益带宽。

这就是说,在高频下,由非占支配极引入的相位滞后会更严重地降低反馈环的相位。

运算放大器带宽变化的经验法则是,过程之间的变化为30%,温度之间的变化为30%。该结构设置了开环输出阻抗,可以看到过程中的变化,因此,一个好的近似值大约是15%。正是由于这些因素的方差,以及放大器在过程上的其他参数变化,才促使建议的45度相位边缘。

关于30度和60度相差的建议有其各自的权衡:30度相差意味着对过程和温度变化有更多的过高,以及少量制造系统可能不稳定的可能性。然而,它可能会给更快的解决时间。另一方面,60度的相位边缘将会降低放大器输出的最大过高,但由于这是一个更阻尼的系统,权衡是一个较慢的沉降时间。

在大多数情况下,45度相位差是一个很好的规则。对于经过严格测试的高速应用程序,30度相距是可以接受的。对于不能容忍过远射的敏感系统,设计60度相位边缘是有帮助的。

米勒电容器的变化将驱动操作放大器中主极位置的巨大变化。这一点,再加上输入阶段增益的变化,可能导致相位边缘不足的系统变得不稳定。

在你的设计中允许45度的相位边缘,将保护它不受制造业中大部件公差造成的大位移的影响。