運(yùn)放穩(wěn)定性的SPICE仿真

 SPICE是一種檢查電路潛在穩(wěn)定性問題的有用工具 。本文將介紹一種使用SPICE工具來檢查電路潛在穩(wěn)定性的簡單方法。

圖1是使用OPA211 搭建 的一個(gè)同相放大器，在許多應(yīng)用中，只是對圖1做了較小的變動。R3和C1構(gòu)成了輸入級濾波器。R4是電路的輸出電阻，當(dāng)運(yùn)放輸出級連接到其它外部電路時(shí)，R4起到保護(hù)作用。CL用來等效5英尺電纜。

該電路的小信號階躍響應(yīng)或者方波的響應(yīng)曲線是檢查潛在穩(wěn)定性問題的最快捷和最簡單的方法。圖2是仿真電路。值得注意的是電路輸入端連接到地，輸入測試信號源直接連接到運(yùn)放的同相輸入端。輸入級的濾波器將延緩輸入信號的邊沿。如果你想知道一個(gè)鐘是如何產(chǎn)生鈴聲的，你應(yīng)該使用一個(gè)鐵錘敲擊它，而不是一個(gè)橡皮棒。

響應(yīng)曲線是在運(yùn)放的輸出端探測，而不是電路的Vout節(jié)點(diǎn)。R4和CL構(gòu)成了濾波器以至于Vout節(jié)點(diǎn)不能真正地顯示出運(yùn)放的過沖。為了檢查穩(wěn)定性，我們需要知道運(yùn)放是如何工作的。

注意到輸入信號的幅度是1mV(在運(yùn)放輸出端的幅度是4mV)。我們希望得到小信號的響應(yīng)曲線。若輸入信號是大信號，則會涉及到壓擺率的問題，將減小過沖，不能真正地反應(yīng)潛在的不穩(wěn)定性。

從仿真結(jié)果可以看出，在運(yùn)放的輸出端有接近27%的過沖，較大的過沖會導(dǎo)致運(yùn)放在任何條件下都是不穩(wěn)定的。假設(shè)這是一個(gè)二階穩(wěn)定系統(tǒng)，它意味著接近38度的相移裕量。另外，注意到頻率響應(yīng)曲線中存在相當(dāng)大的尖峰，這是另一個(gè)潛在的不穩(wěn)定的跡象。幅度峰值在14MHz時(shí)出現(xiàn)，其正好是時(shí)域上振鈴周期的倒數(shù)。普遍認(rèn)為，當(dāng)信號的過沖小于或等于20%時(shí)，相移裕量大于或等于45度，運(yùn)放就可以視為穩(wěn)定的。

有更多深層次的分析可以通過SPICE仿真得到，例如：通過開環(huán)波特圖找到相位裕量和增益。但是對于大多數(shù)簡單的電路，上文提到的是指示潛在不穩(wěn)定問題的非常好的方法。當(dāng)然，任何SPICE仿真都取決于運(yùn)放macro模型的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有的最優(yōu)秀的SPICE模型都不可能是完美的。此外，電路的差異性，非理想的元部件，電路板布線帶來的寄生參數(shù)，低質(zhì)量的電源退耦，都能夠影響電路的穩(wěn)定性。這就是為什么你應(yīng)該進(jìn)行電路的仿真并且做實(shí)際的測試，比較兩者之間的差異并進(jìn)行優(yōu)化。SPICE是一個(gè)很有價(jià)值且很有用的工具，但是不能完全依靠SPICE來檢測電路的潛在穩(wěn)定性，因?yàn)镾PICE不能考慮到運(yùn)放實(shí)際應(yīng)用時(shí)的一些參數(shù)。