2 您需要多少相位裕度？

運(yùn)算放大器迴路穩(wěn)定性是透過相位裕度來衡量，也就是當(dāng)輸出閉合迴路增益低於單位值時(shí)輸出訊號(hào)相移與 360 度的差值。每個(gè)運(yùn)算放大器都存在固有的偏移 (例如主要極點(diǎn))，而額外的偏移則取決於放大器周圍的應(yīng)用和元件。

不同的經(jīng)驗(yàn)法則建議 30、45 甚至 60 度的相位裕度，但您真正需要多少才能確保可靠的性能？對(duì)於傳統(tǒng)的米勒補(bǔ)償運(yùn)算放大器，可以模擬典型的製程變異並觀察對(duì)相位裕度的影響。

圖 1 以 1MHz 單位增益頻寬且 Zo = 300Ω Ω，粗略估計(jì)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益 (Aol) 和輸出阻抗 (Zo)。隨著製程變異，米勒電容器 (C26) 的值可能會(huì)變化約 ±30%，而隨著溫度的變化還會(huì)變化約 ±30%。此變化的總誤差為 ±30% × ±30% (即 ±30% + ±9% 或 ±39% 變化)。由於米勒電容器的值會(huì)改變運(yùn)算放大器 Aol 中主要極點(diǎn)的位置，而這種變化會(huì)顯著影響單位增益頻寬和相位裕度，這就是為什麼這些規(guī)格始終以典型值提供的原因，即使對(duì)於精密放大器和高速放大器也是如此。

圖 1 TI 電路的開環(huán)增益和輸出阻抗 PSpice?

圖 1 中的放大器以負(fù)載電阻和電容進(jìn)行設(shè)定，因此回饋迴路具有 45 度的相位裕度。對(duì)迴路穩(wěn)定性的主要因素 (米勒電容器、開環(huán)輸出阻抗和放大器周圍的被動(dòng)裝置) 執(zhí)行 Monte Carlo 分析，將可顯示製程變異和溫度的變化會(huì)如何影響電路相位裕度的估計(jì)。

圖 2 繪製所產(chǎn)生的相位裕度。在此分析中，我分別對(duì)米勒電容器套用了 ±40% 的變化、Zo 為 ±15%、負(fù)載電容器為 ±10%，以及負(fù)載電阻器則為 ±5%。這些是米勒電容器和 Zo 的預(yù)期內(nèi)部公差，以及許多通用應(yīng)用的典型元件精密度。

圖 2 針對(duì)估計(jì)的製程變異和溫度偏移進(jìn)行了 5,000 次 Monte-Carlo 分析

在這個(gè)變化中，回饋迴路的相位裕度的最小相位裕度為 19 度，比 45 度偏移了 26 度。隨著製程變異和溫度的變化，如果電路的相位裕度約為 27 度，則電路將保持穩(wěn)定，儘管 45 度能提供良好的瞬態(tài)性能和安定時(shí)間。相位裕度越接近 0 度，輸出逸出最終值的程度就越大，而且穩(wěn)定到最終輸出值所需的時(shí)間也越長。45 度的相位裕度提供了足夠的設(shè)計(jì)公差，可在不影響安定時(shí)間或觀察過度過衝的情況下，允許相位裕度發(fā)生變化。

雖然這些模擬有助於了解米勒電容器變化對(duì)性能的影響，但最終仍應(yīng)由電路設(shè)計(jì)人員對(duì)其設(shè)計(jì)的性能負(fù)責(zé)。為了減少計(jì)算強(qiáng)度，我們假設(shè)了許多理想的屬性，而模擬的準(zhǔn)確度則取決於所包含的非理想值。