使用相位裕度分析放大器稳定性的方法

电路

相位裕度与增益裕度都是用于评估放大器的稳定性的参数。其中，相位裕度使用更为普遍。本篇将介绍使用相位裕度分析放大器稳定性的方法。

1、相位裕度与增益裕度定义如图 2.109（b），相位裕度（Phase margin,φm）定义为在放大器开环增益与频率曲线中，180°的相移与开环增益下降为 1(单位增益)处的相移之差的绝对值，如式 2-68：

如图 2.109（a），增益裕度（Am）定义为放大器开环增益与频率曲线中，180°的相移处的增益与放大器开环增益下降为 1 处的增益之差的绝对值。

图 2.109 相位裕度与增益裕度

通常相位裕度、增益裕度越大，放大器越稳定。但是放大器稳定不是电路的唯一要求，尤其在高速放大电路中还需要考虑系统响应速度进行折中评估，如表 2.9。

表 2.9 相位裕度与增益裕度及阶跃响应

2 、相位裕度与放大器电路稳定性分析从电路方面进行分析，输出信号通过反馈网络β回到反相输入端。如果输出信号由于外部配置电路，产生相位延迟 180°时，与原来的输入信号同相位、进行电压叠加增大差分输入信号引发振荡。

如下通过两个示例电路，使用相位裕度分析放大电路是否稳定。

示例一如图 2.112，同相放大电路的开环增益为 120dB，闭环增益 1/β为常数 100 倍（40dB）。开环增益、闭环增益与频率曲线如图 2.113(a)，关系满足式 2-70。

整理环路增益函数为式 2-71。

图 2.112 示例一同相放大电路

环路增益 Avoβ的幅度与频率曲线如图 2.113(b)，以 dB 为单位的开环增益与闭环增益之差。放大器主极点 fp 前后 20 倍频范围产生 90°的相移，如图 2.113（c）。而在环路增益 Avoβ为 0 的频率点 fc 处相移为 90°，相位裕度为 90°电路是稳定。

图 2.113 示例一电路环路增益的相位分析

示例二如图 2.114,在示例一电路基础上增加电容 C1（10nf）与 R1 并联，电容 C1 与电阻 R1 在 1/β曲线产生的零点的频率为：

图 2.114 示例二同相放大电路

如图 2.115（a），开环增益保持不变，在低频率范围内 C1 为断路，闭环增益的幅值是 40dB。当频率高于 16.076KHz 时，电阻 R1,电容 C1 并联的阻抗降低，闭环增益以+20dB/ 十倍频变化，在 fc 处开环增益与闭环增益相交。开环增益的相频特性曲线，在极点十倍频率以后相移为 90°，如图 2.115（b）。电路闭环增益的相频特性曲线,在零点前后 20 倍频率范围，相位以+45°/ 十倍频变化，在 fc 频率处相移接近 90°，如图 2.115（c）。开环增益相频曲线与闭环增益相频曲线之差为环路增益的相频曲线，如图 2.109（d）。在 fc 处其相移接近 180°，相位裕度不足，电路不稳定。

图 2.115 示例二电路环路增益的相位分析

3、相位裕度与放大器电路稳定性仿真分析图 2.116（a）放大器电路稳定性,需要通过 AVO、1/β波特图，得到 AVoβ的相位裕度进行判断。其中开环增益的分析需要断开输出反馈回路，并在反馈的断开处接入一个激励信号 VIN，如图 2.116（b）。放大器输出节点电压为 VOUT，放大器反相电压输入端为 VFB。其中开环增益 Avo 如式 2-72，与反馈系数β如式 2-73。

将式 2-72、式 2-73 代入式 2-71，得到环路增益曲线为式 2-74。

图 2.116AVo、1/β、AVoβ波特图仿真分析电路

但是在仿真中断开放大器的反馈网络，将造成放大器的工作异常。可行的仿真电路如图 2.117，使用电感 L1（10MH）连接到放大器输出 OUT 节点与 IN 节点，激励信号通过电容 C1（10MF）连接在 IN 节点。由此，在直流路径中，L1 视为短路，为放大器提供反馈回路，C1 视为断路；在交流路径中，L1 视为断路，C1 视为短路引入激励信号实现测试。

图 2.117 示例一 AVo、1/β、AVoβ波特图仿真测试电路

示例一电路波特图 AC 分析结果如图 2.118，开环增益 AVO（V(out)/V(fb)）幅频曲线在直流、低频率范围为 134.6dB，低频极点位于 34.11Hz,超过低频极点开环增益以 -20dB/ 十倍频率变化。开环增益 AVO（V(out)/V(fb)）相频曲线的初始相位是 180°，频率超过低频极点十倍频以后，其相位变为 90°。闭环网络为纯阻性网络，闭环增益曲线 1/β（V(in)/V(fb)）保持为 40dB，相位是 0°。开环增益 AVO 曲线与闭环增益曲线 1/β相较于 1.767MHz。

图 2.118 示例一 AVo、1/β、AVoβ波特图 AC 分析结果

环路增益 AVOβ相频特性曲线中初始相位是 180°，在 1.767MHz 处的相位是 83.11°，产生的相移为 96.89°，相位裕度为 83.11°，电路保持稳定。

对示例一进行瞬态分析，电路如图 2.119。使用交流激励源 Vin 是峰峰值为 2mV，频率为 50KHz 的方波信号，通过交流耦合进入放大器同相输入端。

图 2.119 示例一瞬态分析电路

示例一电路瞬态分析结果如图 2.120，电路输出稳定，信号峰峰值为 200mV，频率为 50KHz 的方波信号。

图 2.120 示例一电路瞬态分析结果

如图 2.121,使用 ADA4807-1 实现示例二电路。使用电感 L1 连接到放大器的输出 OUT 节点与 IN 节点，激励信号通过电容 C1 连接到 IN 节点。由此，在直流路径中，L1 视为短路为放大器提供反馈路径，C1、C2 断路。在交流路径中，L1 断路，C1 短路引入激励信号,C2 短路，改变电路的增益与相位。

图 2.121 示例二 AVo、1/β、AVoβ波特图仿真测试电路

示例二电路波特图 AC 分析结果，如图 2.122。开环增益的波特图与图 2.118 示例一情况相同。闭环增益 1/β（V(in)/V(fb)）的幅频曲线，在低频率范围内保持为 40dB，频率上升到零点频率 16.37KHz 时增益为 42.9dB，高于零点频率后幅频特性以+20dB/ 十倍频变化，并与开环增益幅频曲线相交于 60.8dB 处 (170.1KHz)。闭环增益曲线 1/β（V(in)/V(fb)）的相频特性曲线，初始相位为 0°，超过零点后以相位+45°/ 十倍频变化，频率为 170.1KHz 的相位接近 90°。

图 2.122 示例二 AVo、1/β、AVoβ波特图 AC 分析结果

环路增益 AVOβ相频特性曲线初始为 180°，低频极点（34.11Hz）处相位是 134.8°,16.37KHz 处的相位是 45.1°。在 AVOβ为 0（170.1KHz）处的相位是 4.44°，相比初始相位移动 175.46°，相位裕度为 4.44°，放大器工作不稳定。

对示例二电路进行瞬态分析，如图 2.123。增加交流激励源 Vin 是峰峰值为 2mV，频率为 50KHz 的方波信号，通过交流耦合进入放大器。

图 2.123 示例二瞬态分析电路

示例二电路瞬态分析结果，如图 2.124。电路输入波信号是，输出存在严重振荡。

图 2.124 示例二瞬态分析结果

综上，判断电路稳定的方式，是在 AVOβ在 0dB 时，电路的相位裕度对应表 2-9 是否留有合理的余量。并且由式 2-71 可见，AVOβ曲线的极点会受到 AVO 曲线中极点,与 1/β曲线中零点影响。

表 2.9 相位裕度与增益裕度及阶跃响应