【2017年整理】运算放大器稳定性分析1

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1、运算放大器稳定性分析(一)关键字：运算放大器 稳定性 寄生电感 作者：TimGreen，TI公司Burr-Brown产品战略发展经理1.0引言本系列所采用的所有技术都将“以实例来定义”，而不管它在其他应用中能否用普通公式来表达。为便于进行稳定性分析，我们在工具箱中使用了多种工具，包括数据资料信息、技巧、经验、SPICE仿真以及真实世界测试等，都将用来加快我们的稳定运放电路设计。尽管很多技术都适用于电压反馈运放，但上述这些工具尤其适用于统一增益带宽小于20MHz的电压反馈运放。选择增益带宽小于20MHz的原因是，随着运放带宽的增加，电路中的其他一些主要因素会形成回路，如印

2、制板(PCB)上的寄生电容、电容中的寄生电感以及电阻中的寄生电容与电感等。我们下面介绍的大多数经验与技术并非仅仅是理论上的，而且是从利用增益带宽小于20MHz的运放、实际设计并构建真实世界电路中得来的。本系列的第1部分回顾了进行稳定性分析所需的一些基本知识，并定义了将在整个系列中使用的一些术语。图1.0稳定性分析工具箱图字（上、下）：数据资料信息、技巧、经验、TinaSPICE仿真、测试；目的：学习如何用数据资料信息、技巧、经验法则、TinaSPICE仿真及测试来“更容易地”分析和设计运放，以确保环路稳定性；注：用于统一增益带宽小于20MHz的电压反馈运放的技巧与经验法

3、则。1.1波特图（曲线）基础幅度曲线的频率响应是电压增益改变与频率改变的关系。这种关系可用波特图上一条以分贝(dB)来表示的电压增益比频率(Hz)曲线来描述。波特幅度图被绘成一种半对数曲线：x轴为采用对数刻度的频率(Hz)、y轴则为采用线性刻度的电压增益(dB)，y轴最好是采用方便的每主格45°刻度。波特图的另一半则是相位曲线（相移比频率），并被描绘成以“度”来表示的相移比频率关系。波特相位曲线亦被绘成一种半对数曲线：x轴为采用对数刻度的频率(Hz)、y轴为采用线性刻度的相移（度），y轴最好是采用方便的每主格45°刻度。图1.1幅度与相位波特曲线（图）图字（上、下）：A

4、ol曲线、幅度曲线、频率、相位曲线。幅度波特图要求将电压增益转换成分贝(dB)。进行增益分析时，我们将采用以dB（定义为20Log10A）表示的电压增益，其中A为以伏/伏表示的电压增益。图1.2幅度波特曲线分贝(dB)定义图1.3定义一些常用的波特图术语：图1.3更多波特曲线定义图字（上、下）：roll-offrate（下降速率）——增益随频率减小；decade（十倍频程）——频率按x10增加或按x1/10减小，从10Hz到100Hz为一个decade（十倍频程）；octave（倍频程）——频率按x2增加或按x1/2减小，从10Hz到20Hz为一个octave（倍频程）

5、；在电压增益波特图上，增益随频率变化的斜线可定义成按+20dB/decade或-20dB/decade增加或减小。另一种描述同样斜线的方法是按+6dB/octave或-6dB/octave增加或减小（参见图1.4）以下推导证明了20dB/decade与6dB/octave的等效性：ΔA(dB)=A(dB)atfb?CA(dB)atfaΔA(dB)=[Aol(dB)-20log10(fb/f1)]?C[Aol(dB)-20log10(fa/f1)]ΔA(dB)=Aol(dB)-20log10(fb/f1)?CAol(dB)+20log10(fa/f1)]ΔA(dB)=20

6、log10(fa/f1)?C20Log10(fb/f1)]ΔA(dB)=20log10(fa/fb)ΔA(dB)=20log10(1k/10k)=-20dB/decadeΔA(dB)=20log10(fb/fc)ΔA(dB)=20log10(10k/20k)=-6db/octave-20dB/decade=-6dB/octave因此：+20dB/decade=+6dB/octave-20dB/decade=-6dB/octave+40dB/decade=+12dB/octave-40dB/decade=-12dB/octave+60dB/decade=+18dB/Oct

7、ave-60dB/decade=-18dB/Octave图1.4幅度波特图：20dB/decade=6dB/octave极点..单个极点响应在波特图（幅度或增益曲线）上具有按-20dB/decade或-6db/octave斜率下降的特点。在极点位置，增益为直流增益减去3dB。在相位曲线上，极点在频率fP上具有-45°的相移。相位在fP的两边以-45°/decade的斜率变化为0°和-90°。单极点可用图1.5中的简单RC低通网络来表示。请注意极点相位是如何影响直到高于（或低于）极点频率10倍频程处的频率的。图1.5极点：波特曲线幅度与相位