基于Pspice的放大器環(huán)路的穩(wěn)定性分析

雖然在較低頻率下可以較輕松地檢查一個(gè)簡(jiǎn)單放大器的穩(wěn)定性，但評(píng)估一個(gè)較為復(fù)雜的電路是否穩(wěn)定，難度可能會(huì)大得多。本文使用常見的Pspice宏模型結(jié)合一些簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)技巧來提高設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)能力，以確保其設(shè)計(jì)的實(shí)用性與穩(wěn)定性。

　　導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定的原因

　　在任何相關(guān)頻率下，只要環(huán)路增益不轉(zhuǎn)變?yōu)檎答?，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。環(huán)路增益是一個(gè)相量，因而具有幅度和相位特性。環(huán)路由理想的負(fù)反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答佀鶐淼念~外相移即是最常見的不穩(wěn)定因素。環(huán)路增益相位的“相關(guān)”頻率，一般出現(xiàn)在環(huán)路增益大于或等于0dB之處。

　　圖1：總等效噪聲密度-反饋電阻關(guān)系曲線。

　　如圖2所示的放大器電路，通過斷開環(huán)路，測(cè)量信號(hào)在環(huán)路中傳播一次所產(chǎn)生的相移，即可推算出電路的穩(wěn)定情況。以下例子介紹的方法可利用仿真軟件，運(yùn)算放大器宏模型以及Pspice提供的理想元器件來實(shí)現(xiàn)。

　　圖2：跨阻抗放大器。

　　高速低噪聲跨阻放大器(TIA)穩(wěn)定性示例

　　我們以一個(gè)跨阻放大器(TIA)為例，通過分析其穩(wěn)定性來闡述我們將要推薦的技術(shù)。TIA廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)領(lǐng)域，例如LIDAR(光探測(cè)和測(cè)距)、條形碼掃描儀、工廠自動(dòng)化等。設(shè)計(jì)工程師遇到的挑戰(zhàn)是，在不會(huì)造成衰減和老化的情況下，如何最大化信噪比(SNR)，以及如何獲得足夠的速度/帶寬來傳遞所需的信號(hào)。圖2為采用了LMH6629的放大器示意圖，這款超高速(GBWP=4GHz)低噪聲(0.69nV/RtHz)器件具有+10V/V的最小穩(wěn)定增益(COMP引腳連至VCC)的。LMH6629的補(bǔ)償(COMP)輸入可以連至VEE，從而進(jìn)一步將最小穩(wěn)定增益降低到4V/V。

　　為獲得最大的轉(zhuǎn)換速率和帶寬(小信號(hào)和大信號(hào))，在這個(gè)例子中，COMP引腳被連接到VCC。可獲得的帶寬與放大器GBWP直接相關(guān)，與跨阻增益(RF)和光電二極管內(nèi)的寄生電容成反比。確定一個(gè)給定放大器所使用的反饋電阻(RF)有一個(gè)簡(jiǎn)單方便的辦法：在使用了LMH6629的情況下，總等效輸入電流噪聲密度“ini”與RF的關(guān)系如圖1中曲線所示。圖中的“in”是LMH6629的輸入噪聲電流，“en”是LMH6629的輸入噪聲電壓，“k”是波爾茲曼常數(shù)，而“T”是用℃表示的絕對(duì)溫度。

　　由圖1可知，對(duì)于LMH6629而言，將RF設(shè)定為10k?確保了最小的總等效輸入電流噪聲密度ini，由此也可以得到最高的SNR。RF的進(jìn)一步增加會(huì)降低可獲取的最大速度，而SNR不會(huì)得到明顯改善。

　　是什么使得一個(gè)看起來很簡(jiǎn)單的電路的穩(wěn)定性分析變得如此復(fù)雜呢?主要原因就是寄生元件的影響。在圖2的電路中，幾乎沒有跡象表明這個(gè)電路會(huì)是不穩(wěn)定的，圖中所示的寄生元件“CD”是光電二極管固有電容，其實(shí)際大小由光電二極管的面積和靈敏度來決定。R2用于消除LMH6629的輸入偏置電流產(chǎn)生的偏移誤差，同時(shí)C2消除了R2的噪聲。

　　假設(shè)一個(gè)光電二極管標(biāo)稱電容(CD)為10pF，圖2中電路的仿真響應(yīng)如圖3所示，由此可以判斷出電路是不穩(wěn)定的：其頻率響應(yīng)曲線中大而尖的峰值即為證明。在頻域內(nèi)，通過了解電路的相位裕度(PM)就可以確定電路的穩(wěn)定性。為便于仿真，可將光電二極管的電路簡(jiǎn)化等效為一個(gè)電流源。