運放穩定性的SPICE仿真

SPICE是一種檢查電路潛在穩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定性的簡單方法。

圖1是使用OPA211 搭建 的一個同相放大器，在許多應用中，只是對圖1做了較小的變動。R3和C1構成了輸入級濾波器。R4是電路的輸出電阻，當運放輸出級連接到其它外部電路時，R4起到保護作用。CL用來等效5英尺電纜。

該電路的小信號階躍響應或者方波的響應曲線是檢查潛在穩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。如果你想知道一個鐘是如何產生鈴聲的，你應該使用一個鐵錘敲擊它，而不是一個橡皮棒。

響應曲線是在運放的輸出端探測，而不是電路的Vout節點。R4和CL構成了濾波器以至于Vout節點不能真正地顯示出運放的過沖。為了檢查穩定性，我們需要知道運放是如何工作的。

注意到輸入信號的幅度是1mV(在運放輸出端的幅度是4mV)。我們希望得到小信號的響應曲線。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，不能真正地反應潛在的不穩定性。

從仿真結果可以看出，在運放的輸出端有接近27%的過沖，較大的過沖會導致運放在任何條件下都是不穩定的。假設這是一個二階穩定系統，它意味著接近38度的相移裕量。另外，注意到頻率響應曲線中存在相當大的尖峰，這是另一個潛在的不穩定的跡象。幅度峰值在14MHz時出現，其正好是時域上振鈴周期的倒數。普遍認為，當信號的過沖小于或等于20%時，相移裕量大于或等于45度，運放就可以視為穩定的。

有更多深層次的分析可以通過SPICE仿真得到，例如：通過開環波特圖找到相位裕量和增益。但是對于大多數簡單的電路，上文提到的是指示潛在不穩定問題的非常好的方法。當然，任何SPICE仿真都取決于運放macro模型的準確性。現有的最優秀的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，低質量的電源退耦，都能夠影響電路的穩定性。這就是為什么你應該進行電路的仿真并且做實際的測試，比較兩者之間的差異并進行優化。SPICE是一個很有價值且很有用的工具，但是不能完全依靠SPICE來檢測電路的潛在穩定性，因為SPICE不能考慮到運放實際應用時的一些參數。