運放10-運放的穩定性評估的基本原理

今天來看下運放的穩定性吧，這個也是相當重要的，如果不知道如何分析，設計電路難免就會掉到坑里面。

關于運放的穩定性，以前也零零散散知道一些內容，但是不系統，既然說到這個專題了，我也專門查了一些資料，現在做一個總結，構建自己的知識體系，同時分享給兄弟們。

相關問題

我們先來看一些幾個常見的問題或者是現象，這樣有目的話會好些。

1、單位增益穩定運放是啥意思？還有放大1倍時運放不穩定的情況嗎？

2、如果我的輸入信號是直流，那么是不是就不用考慮穩定性的問題？

5、為什么高速運放更容易有穩定性的問題？并且負相端我們可能看到要把GND挖掉，有GND屏蔽不是更好嗎？同相端為什么沒有要求挖掉？

6、運放那么多，難免見到以前沒見過的，如何快速判斷有沒有可能有穩定性的問題？如果有，如何求證呢？

穩定性評估原理

其實原因就在于，我們可能看了很多，記住了一些零碎的知識點，但是沒系統的去看這里面的原理是啥，這樣就會導致一個問題：一旦遇到我們沒見過的電路，可能就不知道怎么辦了，也不知道有沒有問題，無法在設計之初就能識別出問題來。

其實說起來，評估穩定性的原理非常簡單，萬變不離其宗，這個“宗”就是下面這個圖。

可能有人發現了，這不是模電的負反饋框圖嗎？沒錯，就是這個。這個系統不穩定的條件相信大家都有所了解，就不做解釋了。

如果再翻一翻模電的書（第6章節）， 我們會知道，A*F就是環路的增益，φA+φF就是環路的相移，如下圖所示。

看到這個圖相信大家應該就都很熟悉了哈：容易知道，圖a是不穩定的，圖b是穩定的，相位裕度是φm。

因為穩定性條件大家應該都知道了：在環路增益為1的時候，相移還沒到180°，通常要求相位裕度大于45°。

那么我們如何求環路增益AF呢？其實也比較簡單，我們斷開環路的一點，假定有一個信號vi輸進去，經過一圈之后，信號變成了vo，那么AF=vo/vi，這一點應該很容易理解吧。

需要注意，求環路增益的時候，要讓真正的輸入信號Xi=0，因為這是求的環路本身的特性，跟輸入信號沒關系。

好了，我們不是來講模電的。現在開始說放大器電路，我們評估運放電路穩定性很簡單，就是往上面這個模型里面套就好了。

如何將負反饋電路模型套到負反饋運放電路上面

套用方法：我們只需要將運放的負相端剪開，然后假定有一個信號vi輸入到負相端，這個信號經過運放，經過反饋，最終會回到負相端，此時它已經變成了vo，我們求出vo與vi的比值就好了。

剪開負相端之后，我們會發現，這個運放就變成開環放大了，可能有人會說，運放開環增益不是無窮大嗎？Vo/Vi=AV*R1/R2，這不總等于無窮大？環路增益根本就不可能有等于1的時候？

這么認為是將運放當作理想運放看待了，要注意了，我們分析穩定性的時候，絕對不能再把運放當作理想運放看待了，而是要具體運放具體分析。

下面先來看看最簡單的電路——緩沖器電路實例：

緩沖器電路的穩定性

如下圖左邊，是常見的緩沖器電路，有經驗的兄弟可能會知道，只有單位增益穩定的運放，這個電路才能穩定，下面我們分析下為什么有的運放穩定，有的運放不穩定。

如上圖右邊，按照前面介紹的方法，我們將負相端剪開，那么環路增益就是vo/vi，可以看到，這個結果其實就是運放的開環增益AoL，所以這個電路穩不穩定，我們可以直接查看運放的開環增益曲線就OK了。

以OPA627和OPA637為例子。我們查看下這兩個運放的開環增益曲線如下圖。

可以看到，對于OPA627，在增益為1，也就是0db的時候，相位是-105°，離-180°還有75°，也就是說其相位裕度有75°，所以說它是穩定的。

而對于OPA637而言，在增益為1的時候，相位也正好是-180°，相位裕度為0，所以說它是不穩定的。

我們看對應規格書手冊也會有下面描述。

規格書明確寫出了：OPA627單位增益穩定，符合上面的曲線。同時也寫出了OPA637在放大5倍及以上時穩定，言外之意就是它單位增益的時候不穩定，也符合我們的推論。

但是產生了新的問題，為什么說放大5倍后OPA637就穩定了呢？我們前面的分析方法可以推導出這個結論嗎？

當然是可以的。用OPA637構造一個放大5倍的電路，推導如下圖所示。

可以看到，環路增益跟前面的緩沖器電路不同，它不再等于運放開環增益AoL，而是等于開環增益AoL的1/5，也就是AoL除以放大倍數。

還是前面的原則，我們要找到環路增益=1/5*AoL=1處的相位是多少，是否滿足相位裕度大于45°。那就簡單了，要知道1/5*AoL=1的相位，其實也就是AoL=5的相位，我們還是可以直接去看AoL的曲線，只不過這時候看的就不是0dB時的相位，而是AoL=5，也就是AoL=20Log5=14dB時的相位。

下圖再把OPA637的AoL曲線亮出來。

可以看到，Gain=5=14dB時，相位是-125°，也就是說裕度是55°，離我們一般要求的45°差異并不大，55°裕量更足一些，懷疑可能是TI故意也多留了一點裕量，或者說是實際板子測出來的（因為實物可能會有一些寄生參數存在，實際裕度更低）。

同理，如果設計點電路增益更大，比如是10倍，我們按照上面的方法，會看到相位裕度大概是67°，也是穩定的，也就是說，隨著增益增大，相位裕度是越來越大的，也就是說會更加的穩定。

反之，如果增益小于5倍，說明相位裕度會更小，也就是更不容易穩定。如此，我們也就解釋了為什么手冊說OPA637只有放大5倍及以上才是穩定的。

小結

開篇提了很多問題，但是并沒有全部回答，而是先從原理上面解釋下運放穩定性分析到底是怎么回事，也給出了具體的分析方法，分析方法小結如下：

1、環路增益如何求解：將負相端剪開，假定負相端輸入一個信號vi，信號沿環路跑一圈回到剪開的地方時信號變為vo，那么環路增益就是vo/vi。

2、穩定性判斷條件：環路增益=1時，相位裕度≥45°

相信雖然沒有正面回答那些問題，但是只要套用上面的方法，應該大抵也能分析個大概（比如容性負載為什么可能會有問題，自然是因為電容會在環路上面引入額外的相移，導致環路增益為1的時候，不滿足45°相位裕量）。