幾天前，John 在測(cè)試某個(gè)設(shè)計(jì)的瞬態(tài)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)時(shí)，獲得了一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：輸出信號(hào)的步長(zhǎng)對(duì)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的結(jié)果極其重要。

在當(dāng) John 開發(fā)某個(gè)設(shè)計(jì)并需要用運(yùn)算放大器來(lái)緩沖 1μF 的負(fù)載時(shí)，問題出現(xiàn)了。大部分運(yùn)算放大器都無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)非常大的電容性負(fù)載，因而他不得不設(shè)計(jì)一套適合的補(bǔ)償方案。由于不需要輸出大電流，因此 John 在運(yùn)算放大器輸出與電容器之間插入了一個(gè)串聯(lián)的隔離電阻器 (RISO)，用以對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)償，如圖 1 所示。

圖 1

采用 RISO 補(bǔ)償 CLOAD

通過利用 TINA-TI（德州儀器 (TI) 基于 SPICE 的模擬仿真程序），我?guī)椭?John 驗(yàn)證了該電路的穩(wěn)定性。在經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后，John 選擇了能達(dá)到 45 度相位裕度的 RISO值，然后就可以在工作臺(tái)上進(jìn)行結(jié)果測(cè)試。

如果您遇到了同樣的問題，那么需要小心。大部分在仿真中測(cè)試穩(wěn)定性的高級(jí)方法通常在工作臺(tái)上并不實(shí)用。為了彌補(bǔ)這一問題，需要為會(huì)造成運(yùn)算放大器輸出發(fā)生微小變化的系統(tǒng)輸入一個(gè)步長(zhǎng)。

針對(duì)典型運(yùn)算放大器系統(tǒng)的結(jié)果應(yīng)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的過沖和振鈴響應(yīng)，如圖 2 所示。通過測(cè)量過沖百分比，您就可利用圖 2 中的表格確定相位裕度。圖中結(jié)果顯示了 10mV 步長(zhǎng)下的過沖為 20%，相當(dāng)于 45 度的相位裕度。

圖 2

45 度相位裕度系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)例

理論介紹完畢后，我便讓 John 在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行過沖百分比的測(cè)試。

他回來(lái)后告訴我說(shuō)獲得了一些造成過沖百分比測(cè)量失真的“奇怪”現(xiàn)象。他記錄的函數(shù)生成器的最小步長(zhǎng)是 100mVpp，并為我展示了圖 3 中的結(jié)果。

圖 3

100mV 步長(zhǎng)下的瞬態(tài)結(jié)果

他獲得的結(jié)果顯然與圖 2 中所示的響應(yīng)不同，而且無(wú)法與相位裕度相關(guān)聯(lián)。由于步長(zhǎng)幅度是唯一的不同之處，因而我告訴他一個(gè)竅門，即維持生成器 50Ω 電阻不變，但利用 R1 和 R2 來(lái)分離輸入信號(hào)，如圖 4 所示。

圖4

采用 50Ω 輸入分離電阻修改電路

圖 5 顯示了 10mV 輸入步長(zhǎng)下的測(cè)試結(jié)果。非常確定的是，上述的奇怪現(xiàn)象已經(jīng)不見了。我們可以利用這些結(jié)果對(duì)過沖進(jìn)行測(cè)量，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)已達(dá)到大概 45 度的相位裕度。

圖 5

10mV 步長(zhǎng)下的瞬態(tài)結(jié)果

波形的線性部分及圖 3 中的奇怪尖峰都表明運(yùn)算放大器存在大信號(hào)限制，例如壓擺率或輸出電流限值。當(dāng)對(duì)運(yùn)算放大器系統(tǒng)執(zhí)行基于過沖百分比的穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)，輸出變化必須非常小，否則運(yùn)算放大器的大信號(hào)限制性就會(huì)造成結(jié)果失真。

John 從中學(xué)到了重要的一課。如果輸出限制在測(cè)量過程中改變了步長(zhǎng)，那么結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)異常，而且無(wú)法與相位裕度相關(guān)聯(lián)。

您在下一次測(cè)試運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性時(shí)，在工作臺(tái)上進(jìn)行過沖百分比測(cè)試的過程中需要將輸出變化范圍控制在 10 至 20mV 之間。這樣就能確保輸出小信號(hào)。如果結(jié)果不連續(xù)或無(wú)法使用，則可考慮執(zhí)行交流增益／相位掃描。