前言
在研究運(yùn)放形成的反饋系統(tǒng)時,相位裕度是衡量穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)。因此,明確相位裕度與運(yùn)放的開環(huán),環(huán)路,閉環(huán)響應(yīng)的關(guān)系是一個重要的問題,有助于我們更好地在穩(wěn)定性,功耗,速度之間進(jìn)行折衷考慮。
巴克豪森判據(jù)
圖1 基本負(fù)反饋系統(tǒng)
如上圖所示的負(fù)反饋系統(tǒng),假定圖中β是頻率無關(guān)的常數(shù)(β通常由電阻分壓,電容分壓等方式形成,大部分情況下是頻率無關(guān)的),該閉環(huán)傳輸函數(shù)可寫為 式(1) :
其中β為反饋系數(shù),H(s)是開環(huán)響應(yīng),βH(s)為環(huán)路響應(yīng)。
若在一個頻率ω1處,環(huán)路響應(yīng)βH(s=jω 1 )=-1,則閉環(huán)“增益”趨于無窮大,電路可以放大自身的噪聲直到它最終開始振蕩,該條件可以分別表達(dá)為**式(2) **和式** (3)**
上述就是 巴克豪森判據(jù) 。
從巴克豪森判據(jù)可以看出,判斷反饋系統(tǒng)是否穩(wěn)定主要取決于環(huán)路響應(yīng)βH(s)。然而,有時候我們在設(shè)計(jì)運(yùn)放時,通常是將開環(huán)響應(yīng)GBW頻率處的剩余相位當(dāng)作相位裕度(即單位增益相位裕度),這是一種所有反饋系數(shù)β下的最差相位裕度。這樣設(shè)計(jì)對可能使用在各種情況下的通用運(yùn)放來說沒問題的,但對于芯片內(nèi)部一些反饋環(huán)路固定不變的情況,便會存在過設(shè)計(jì),造成一些性能浪費(fèi),在本文的后面章節(jié)關(guān)于該問題將進(jìn)行更為詳細(xì)的分析。
相位裕度
使環(huán)路增益幅值等于1的頻率點(diǎn)為“增益交點(diǎn)頻率”,GX,使環(huán)路增益相位等于-180°的頻率點(diǎn)為“相位交點(diǎn)頻率”,PX。要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,PX必須遠(yuǎn)于GX,且兩者間距越大,反饋系統(tǒng)越穩(wěn)定。而相位裕度PM,就是描述當(dāng)GX出現(xiàn)時,距離PX出現(xiàn)剩余的相位,從而反應(yīng)兩者的距離。
相位裕度與開環(huán),環(huán)路,閉環(huán)響應(yīng)的關(guān)系
圖2 相位裕度與開環(huán),環(huán)路,閉環(huán)響應(yīng)的關(guān)系
正如上文所言,相位裕度主要取決于環(huán)路響應(yīng),那么相位裕度和開環(huán)響應(yīng),閉環(huán)響應(yīng)之間的關(guān)系是怎樣的呢,本節(jié)對這個問題進(jìn)行分析。本文以一個次主極點(diǎn)位于GBW外的兩極點(diǎn)運(yùn)放組成的反饋系統(tǒng)作為研究對象,如圖2所示,自上至下三幅圖分別為三個不同反饋系數(shù)的環(huán)路響應(yīng),閉環(huán)響應(yīng)以及運(yùn)放的開環(huán)相位(也為環(huán)路相位)圖。圖中運(yùn)放的響應(yīng)A即為上文反饋系統(tǒng)中的H。
首先觀察圖2(a)和圖2(c),在(a)中,環(huán)路增益βA open =1(0dB)的點(diǎn)(GX)即為它們的曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)。從β1至β3值逐漸變大,GX出現(xiàn)得逐漸變晚。由于反饋系數(shù)通常小于1,因此β 3 =1是這個系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最晚的GX。對應(yīng)到圖2(c)中,β1至β3對應(yīng)的相位裕度PM1~PM3逐漸減小。因此可以得到結(jié)論:反饋系數(shù)越大,相位裕度越小。
由于β 3 =1,所以圖2(a)中β3Aopen的曲線就是運(yùn)放的開環(huán)增益曲線。我們在設(shè)計(jì)運(yùn)放時,常常通過檢查GBW處剩余的相位作為運(yùn)放的相位裕度,實(shí)際上得到的就是該運(yùn)放在β 3 =1這個相位裕度最壞情況下的值。
圖2(b)中給出了反饋系統(tǒng)的閉環(huán)增益,從式(1)可知,開環(huán)增益Aopen與閉環(huán)增益Aclose之間的差約為環(huán)路增益βA open (取dB之前相除等于取dB之后相減),因此βA open =1(0dB)的點(diǎn)應(yīng)為Aopen與Aclose重新交合的點(diǎn)(也為閉環(huán)主極點(diǎn)位置),如圖中所示,將其對應(yīng)到圖2(c)后可以得到與之前相同的結(jié)論。
對運(yùn)放設(shè)計(jì)的參考
我們在設(shè)計(jì)一個運(yùn)放時,通常使用單位增益相位裕度作為指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過上文的分析可知,這種方式得到的相位裕度是運(yùn)放在所有可能的反饋情況下的最差值。對于一個通用運(yùn)放,運(yùn)放可能被應(yīng)用在各種反饋系數(shù)下,因此這樣設(shè)計(jì)可以確保運(yùn)放在所有反饋情況下都是穩(wěn)定的。但假如對于一個固定反饋系數(shù)的運(yùn)放,比如IC設(shè)計(jì)時內(nèi)部各個環(huán)路使用的運(yùn)放,假如反饋系數(shù)小于1,實(shí)際的相位裕度比上述方法得到的相位裕度要大,因此相位裕度實(shí)際上被過設(shè)計(jì)了,這樣實(shí)際上造成了固定速度下功耗的浪費(fèi)或者固定功耗下速度的浪費(fèi)。
以設(shè)計(jì)兩級運(yùn)放為例,過設(shè)計(jì)的相位裕度導(dǎo)致了過設(shè)計(jì)的密勒補(bǔ)償電容,從而造成輸入級電流或運(yùn)放帶寬的浪費(fèi)。
因此,對固定反饋系數(shù)的運(yùn)放,實(shí)際上我們可以回歸巴克豪森判據(jù)的本質(zhì),去找屬于該反饋系數(shù)的環(huán)路響應(yīng)的GX,從而設(shè)計(jì)相位裕度,而不是直接去設(shè)計(jì)單位增益相位裕度。
總結(jié)
本文分析了相位裕度與運(yùn)放的開環(huán)響應(yīng),環(huán)路響應(yīng),閉環(huán)響應(yīng)的關(guān)系,為讀者在設(shè)計(jì)運(yùn)放的相位裕度時提供一些理論參考,不足之處請多多指正。
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