工程師設(shè)計運算放大器時，經(jīng)常使用SPICE仿真來檢查所設(shè)計電路的穩(wěn)定性。SPICE仿真在高速放大器應(yīng)用中尤為常用，因為微小的電容和電感都很容易影響電路的穩(wěn)定性。
    穩(wěn)定性分析的典型方法是在反饋回路中插入交流斷點，以便使用交流分析測量環(huán)路增益(Aol×β)響應(yīng)，該方法幾乎適用于所有SPICE仿真器。不過，反饋網(wǎng)絡(luò)插入斷點的具體位置，可能會對仿真的準確性產(chǎn)生較大的影響。
    本文將利用OPA607運算放大器，闡釋工程師在反饋網(wǎng)絡(luò)中常用的兩個插入位置的優(yōu)缺點。
    方法一：在輸出端斷開循環(huán)

    該穩(wěn)定性分析方法中，斷開了放大器輸出端的反饋回路。這是一種相當簡單和流行的方法。圖1顯示了這種方法的典型示例。

    圖1：穩(wěn)定性仿真電路在輸出端斷開回路。本文資料

    運算放大器非常有效地展示了兩種方法之間的差異;讓我們來探討一下原因。在圖1的電路中，環(huán)路在輸出端使用1TH電感器斷開。重要的是要使用一只非常大的電感器來斷開回路，而不是直接完全斷開連接，這樣仿真仍然可以計算用于分析的直流工作點，但對于交流仿真來說似乎是開路。如果沒有電感器，仿真可能無法找到用于仿真的工作點，或者會找到一個不準確的工作點，無法由于環(huán)路在輸出端斷開，而輸入端連接到反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端，從輸入源到放大器輸出端的傳遞函數(shù)，將等于反饋因子(β)乘以放大器的開環(huán)增益(Aol)，通常稱為環(huán)路增益。然后，為了獲得相位裕度，可以運行AC仿真，并評估幅度為0dB以上時的環(huán)路增益相位。圖2所示為10MHz到100MHz的穩(wěn)定性仿真結(jié)果，相位裕度約為82度。

    圖2：使用方法一獲得的穩(wěn)定性仿真結(jié)果。
    方法二：在反相節(jié)點斷開回路

    出了輸出端斷開反饋網(wǎng)絡(luò)的另一個合乎邏輯的位置是放大器的反相輸入。圖3顯示了類似于圖1的穩(wěn)定性仿真示例電路，但斷開環(huán)路的位置是放大器的輸入端，而不是輸出端。

    圖3：穩(wěn)定性仿真電路在輸入端斷開回路。
    在圖3的電路中，注意添加到電路反饋回路的兩個額外電容器(Ccm和Cdiff)。這些電容器分別代表放大器的共模和差分輸入電容。使用方法二時，它們必須作為分立元件重新添加到反饋回路中，因為在輸入端斷開回路會斷開模型的輸入電容與反饋網(wǎng)絡(luò)的連接，這會顯著影響響應(yīng)精度。
    大多數(shù)放大器數(shù)據(jù)表中都會列出放大器輸入電容值。對于OPA607，共模電容為5.5pF，差分電容為11.5pF。差分電容通常連接到同相輸入端，但由于在此示例中同相輸入端接地，因此Cdiff電容器也接地。
    通過分析圖3中所示的電路，您可以看到標有“環(huán)路增益”的輸入和輸出之間的傳遞函數(shù)實際上與圖1中電路的傳遞函數(shù)相同，其中環(huán)路增益=Aol×β。電感器同樣起到斷開交流回路的作用，同時也提供適當?shù)闹绷鞴ぷ鼽c。
    圖4顯示圖3中電路的環(huán)路增益仿真響應(yīng)，相位裕度約為91度。細心的讀者會很快注意到，該相位裕度比圖2中使用方法一獲得的相位裕度高出近10度。仿真結(jié)果不同的根本原因是什么?您如何從兩個仿真中獲得等效的結(jié)果?

    如何使兩種方法的結(jié)果等效?
    要從任一方法中獲得等效結(jié)果，重要的是要了解可能導(dǎo)致仿真響應(yīng)不同的兩個電路之間的差異。兩種電路之間的根本區(qū)別在于放大器的負載在兩種方法之間有何不同。在方法二中，放大器由反饋網(wǎng)絡(luò)加載;這對放大器響應(yīng)的任何影響都將顯示在環(huán)路增益仿真中。然而，方法一將反饋網(wǎng)絡(luò)與放大器輸出的負載完全分離，因為輸出端的環(huán)路斷點。
    對于響應(yīng)不受放大器負載影響的放大器來說，這可能不是問題，但不可能總是做出這種假設(shè)。OPA607就是這種現(xiàn)象的一個例子，因為放大器的負載直接影響響應(yīng)，從而影響電路的穩(wěn)定性。

    幸運的是，您可以通過在放大器的輸出端添加一個單獨的負載來表示反饋網(wǎng)絡(luò)通常呈現(xiàn)的負載，從而解決方法一的反饋網(wǎng)絡(luò)負載問題。圖5顯示了修改后的電路，在OPA607的輸出上有一個等效的700 Ω負載，以考慮反饋網(wǎng)絡(luò)的正常負載。在這種情況下，負載是一個簡單的700 Ω，但更復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)(例如有源濾波器的反饋網(wǎng)絡(luò))需要在等效負載中包含反饋網(wǎng)絡(luò)的所有組件。

    圖5：方法一中考慮輸出負載的改進電路圖。

    圖6顯示了使用方法一的改進電路的新結(jié)果，測得的相位裕度約為91度，與方法二的結(jié)果相差0.14dB。對于功能模型SPICE仿真而言，這種微小差異在可接受的誤差范圍內(nèi)。

    圖6：使用方法一的改進電路獲取的環(huán)路增益仿真結(jié)果。
    應(yīng)該選擇哪種方法?
    經(jīng)過上述討論，得知可以使用任何一種方法獲得類似的結(jié)果，那么究竟應(yīng)該選擇哪種方法進行仿真?答案實際上歸結(jié)為您喜歡哪種方法。
    在方法一中，不需要搞清放大器的輸入電容，但卻需要向放大器輸出添加額外的等效負載。
    方法二中需要了解放大器的輸入電容，但將輸出耦合到了反饋網(wǎng)絡(luò)。方法二可以降低具有復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)的電路的復(fù)雜性，但對于具有更復(fù)雜輸入網(wǎng)絡(luò)的電路(例如差分放大器)，可能會搞不清楚如何正確設(shè)置。
    總之，兩種方法各有優(yōu)缺點。該分析的重要結(jié)論并非說某種方法優(yōu)于另一種方法，而是要始終確保放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)在環(huán)路斷開的任何地方都具有與閉環(huán)電路等效的負載阻抗。