基于Pspice的放大器環路的穩定性分析

雖然在較低頻率下可以較輕松地檢查一個簡單放大器的穩定性，但評估一個較為復雜的電路是否穩定，難度可能會大得多。本文使用常見的Pspice宏模型結合一些簡單的電路設計技巧來提高設計工程師的設計能力，以確保其設計的實用性與穩定性。

　　導致放大器不穩定的原因

　　在任何相關頻率下，只要環路增益不轉變為正反饋，則閉環系統穩定。環路增益是一個相量，因而具有幅度和相位特性。環路由理想的負反饋轉變為正反饋所帶來的額外相移即是最常見的不穩定因素。環路增益相位的“相關”頻率，一般出現在環路增益大于或等于0dB之處。

　　圖1：總等效噪聲密度-反饋電阻關系曲線。

　　如圖2所示的放大器電路，通過斷開環路，測量信號在環路中傳播一次所產生的相移，即可推算出電路的穩定情況。以下例子介紹的方法可利用仿真軟件，運算放大器宏模型以及Pspice提供的理想元器件來實現。

　　圖2：跨阻抗放大器。

　　高速低噪聲跨阻放大器(TIA)穩定性示例

　　我們以一個跨阻放大器(TIA)為例，通過分析其穩定性來闡述我們將要推薦的技術。TIA廣泛應用在工業領域和消費領域，例如LIDAR(光探測和測距)、條形碼掃描儀、工廠自動化等。設計工程師遇到的挑戰是，在不會造成衰減和老化的情況下，如何最大化信噪比(SNR)，以及如何獲得足夠的速度/帶寬來傳遞所需的信號。圖2為采用了LMH6629的放大器示意圖，這款超高速(GBWP=4GHz)低噪聲(0.69nV/RtHz)器件具有+10V/V的最小穩定增益(COMP引腳連至VCC)的。LMH6629的補償(COMP)輸入可以連至VEE，從而進一步將最小穩定增益降低到4V/V。

　　為獲得最大的轉換速率和帶寬(小信號和大信號)，在這個例子中，COMP引腳被連接到VCC。可獲得的帶寬與放大器GBWP直接相關，與跨阻增益(RF)和光電二極管內的寄生電容成反比。確定一個給定放大器所使用的反饋電阻(RF)有一個簡單方便的辦法：在使用了LMH6629的情況下，總等效輸入電流噪聲密度“ini”與RF的關系如圖1中曲線所示。圖中的“in”是LMH6629的輸入噪聲電流，“en”是LMH6629的輸入噪聲電壓，“k”是波爾茲曼常數，而“T”是用℃表示的絕對溫度。

　　由圖1可知，對于LMH6629而言，將RF設定為10k?確保了最小的總等效輸入電流噪聲密度ini，由此也可以得到最高的SNR。RF的進一步增加會降低可獲取的最大速度，而SNR不會得到明顯改善。

　　是什么使得一個看起來很簡單的電路的穩定性分析變得如此復雜呢?主要原因就是寄生元件的影響。在圖2的電路中，幾乎沒有跡象表明這個電路會是不穩定的，圖中所示的寄生元件“CD”是光電二極管固有電容，其實際大小由光電二極管的面積和靈敏度來決定。R2用于消除LMH6629的輸入偏置電流產生的偏移誤差，同時C2消除了R2的噪聲。

　　假設一個光電二極管標稱電容(CD)為10pF，圖2中電路的仿真響應如圖3所示，由此可以判斷出電路是不穩定的：其頻率響應曲線中大而尖的峰值即為證明。在頻域內，通過了解電路的相位裕度(PM)就可以確定電路的穩定性。為便于仿真，可將光電二極管的電路簡化等效為一個電流源。