是什么導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定？
　　只要環(huán)路增益在任何重要的頻率下都不會(huì)變成正反饋，閉環(huán)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。環(huán)路增益是一個(gè)相量（這意味著它同時(shí)具有幅度和 相位屬性）；不穩(wěn)定的最常見原因是環(huán)路周圍的額外相移，將完美的負(fù)反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答?。環(huán)路增益相位“重要”的頻率是指環(huán)路增益為 0dB 或以上的頻率。
　　查看圖 1中所示的放大器電路，可以通過(guò)確定信號(hào)繞環(huán)路一周且環(huán)路損壞時(shí)遇到的相移來(lái)估計(jì)其穩(wěn)定性。以下示例演示了一種通過(guò)使用仿真軟件 Op Amp Macromodel 并采用 Pspice 中提供的理想組件來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的的方法。
　　　圖1：跨阻放大器
　　高速低噪聲跨阻放大器 (TIA) 穩(wěn)定性示例：
　　讓我們以跨阻放大器 (TIA) 為例，探討其穩(wěn)定性，以演示我們即將提出的技術(shù)。 TIA 有許多工業(yè)和消費(fèi)用途，例如 LIDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）、條形碼掃描儀、工廠自動(dòng)化等。設(shè)計(jì)人員面臨的一些挑戰(zhàn)是最大限度地提高 SNR 并實(shí)現(xiàn)傳遞預(yù)期信號(hào)所需的速度/帶寬沒(méi)有衰減或退化。
　　圖 1 是使用 LMH6629 的此類設(shè)計(jì)，LMH6629 是一款超高速 (GBWP= 4GHz) 低噪聲器件 (0.69nV/rtHz)，最小穩(wěn)定增益為 +10V/V（COMP 引腳連接到 VCC）。 LMH6629 的補(bǔ)償 (COMP) 輸入可連接至 VEE，以將最小穩(wěn)定增益降低至 4V/V。為了獲得最大轉(zhuǎn)換速率和帶寬（小信號(hào)和大信號(hào)），在此示例中，COMP 引腳連接到 VCC?？蛇_(dá)到的帶寬與放大器 GBWP 直接相關(guān)，與跨阻增益 (R F ) 和光電二極管固有寄生電容成反比。
　　決定給定放大器使用什么反饋電阻 (R F )的一種便捷方法是參考圖 2的圖，其中繪制了 使用 LMH6629 時(shí)的總等效輸入電流噪聲密度“i ni ”與 R F 的關(guān)系。在此圖中，“i n ”是 LMH6629 輸入噪聲電流，“en ”是 LMH6629 輸入噪聲電壓，“k”是玻爾茲曼常數(shù)，“T”是絕對(duì)溫度（單位：°C）。
　　　圖2：總等效噪聲密度與反饋電阻
　　從圖 2 中可以明顯看出，對(duì)于 LMH6629，將 R F設(shè)置 為 10k W 可確保最小的總等效輸入電流噪聲密度 i ni，從而獲得最高的 SNR。 R F的任何進(jìn)一步增加都會(huì)降低可達(dá)到的速度，并且 SNR 沒(méi)有明顯的改善。
　　對(duì)于看似簡(jiǎn)單的電路來(lái)說(shuō)，使穩(wěn)定性分析變得復(fù)雜的一個(gè)主要因素是寄生元件的影響。在圖 1 的電路中，幾乎沒(méi)有任何跡象表明該電路可能接近不穩(wěn)定。所示的寄生分量“C D ”是光電二極管固有電容，其根據(jù)光電二極管面積及其靈敏度而縮放。 R2 用于消除 LMH6629 輸入偏置電流引起的失調(diào)誤差，C2 則消除 R2 的噪聲?！　〖僭O(shè)光電二極管標(biāo)稱電容 (CD )為 10pF，圖 1 電路的模擬響應(yīng)如圖 3所示 ，表明該電路不穩(wěn)定；頻率響應(yīng)中的大而尖銳的峰值可以明顯看出這一點(diǎn)。在頻域中，可以通過(guò)了解電路的相位裕度 (PM) 來(lái)確定穩(wěn)定性。出于仿真目的，光電二極管的簡(jiǎn)化等效電路是電流源。

　　　圖3 ：TIA 頻率響應(yīng)表明不穩(wěn)定
　　對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的用戶來(lái)說(shuō)，相對(duì)較大的反饋電阻 R F缺乏穩(wěn)定性可能證明 R F “查看”反相運(yùn)算放大器輸入的寄生電容是振鈴和過(guò)沖的原因。這可以稱為環(huán)路“過(guò)度相移”。反相輸入寄生電容由光電二極管電容和LMH6629的輸入電容組成。 LMH6629 的寬帶寬降低了足以導(dǎo)致過(guò)度相移的總輸入電容，從而加劇了問(wèn)題。糾正這種情況最有效的方法是在R F兩端插入一個(gè)適當(dāng)值的電容器 (C F ) 。
　　除非進(jìn)行全面的筆式分析來(lái)尋找導(dǎo)致這種行為的低相位裕度的原因，否則在選擇補(bǔ)償元件以提高穩(wěn)定性時(shí)除了反復(fù)試驗(yàn)之外別無(wú)選擇。一種比筆劃方法快得多的更嚴(yán)格的方法是使用仿真來(lái)更深入地了解環(huán)路行為隨頻率的變化，而無(wú)需復(fù)雜算術(shù)的麻煩和計(jì)算錯(cuò)誤的可能性。
　　所需要的是能夠觀察“開環(huán)”配置中的電路，以便研究環(huán)路增益 (LG) 幅度和相位。仿真提供了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼮橛脩籼峁┝烁鞣N可以有效完成工作的理想組件。
　　在圖 4的仿真電路中，環(huán)路已在 AC 方面打開（其中相位裕度很重要），同時(shí)保留 DC 閉環(huán)，以便正確建立工作點(diǎn)。這是通過(guò)輸出端的大值串聯(lián)電感 (L1) 和大值并聯(lián)電容器 (C1) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　圖4 ：插入大“L”和大“C”以在 AC 下開環(huán)進(jìn)行仿真
　　驅(qū)動(dòng)大電容器 (V_Drive) 的交流源可設(shè)置為 1V，器件輸出處的模擬響應(yīng)是 LG 函數(shù)，如圖5所示。圖 5 中約 0° 的低相位裕度證實(shí)了過(guò)度的閉環(huán)頻率響應(yīng)峰值如圖 3 所示。使用的品質(zhì)因數(shù)是相位裕度應(yīng)大于 45° 以確保穩(wěn)定性。
　　筆記：
　　1. 在開始頻率響應(yīng)仿真之前，確保輸入電流源（代替光電二極管）設(shè)置為“AC 0”
　　2. 顯示的結(jié)果是 C F 設(shè)置為 0pF 時(shí)的結(jié)果
　　3. 圖5中實(shí)線表示幅度，虛線表示相位角
　　4. 相位裕度是“LG函數(shù)”跨越0dB時(shí)的相位角
　　圖5 ：開環(huán)圖顯示相位裕度不足
　　為了找到適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容器值以提高相位裕度，可以將各種 C F值 （在圖 4 的電路中）的噪聲增益與 LMH6629 開環(huán)增益圖一起繪制出來(lái)，如圖6所示。噪聲增益為 V(Drive)/V(In_Neg)。注意LG模擬的低頻值高于0dB；這是因?yàn)?LMH6629 的宏模型還對(duì)其差分輸入電阻進(jìn)行建模。
　　大多數(shù) Pspice 模擬器允許使用圖 6 中所示的“.STEP PARAM”語(yǔ)句來(lái)運(yùn)行多個(gè)模擬并顯示所有疊加的結(jié)果。其他模擬器可能具有專用命令來(lái)允許這種類型的同時(shí)模擬。最佳 C F 值是在噪聲增益函數(shù)上放置一個(gè)極點(diǎn)，該極點(diǎn)與 LMH6629 的開環(huán)增益圖相交的頻率。從圖 6 中可以看出，本例中的C F = 0.25pF。
　　任何較高的 C F 值都會(huì)產(chǎn)生帶寬損失，任何較低的值都會(huì)沒(méi)有足夠的相位裕度。如果 C F 足夠高（例如本例中為 7pF），噪聲增益圖可能會(huì)截取開環(huán)圖低于 20dB，這是 LMH6629 的最小穩(wěn)定增益；這種情況將再次不穩(wěn)定，或者放大器可能具有過(guò)度的頻率響應(yīng)峰值。因此，存在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域和一個(gè)最佳值。
　　　圖6 ：C F 優(yōu)化的噪聲增益圖　　圖 7顯示了當(dāng) C F =0.25pF時(shí) LG 作為頻率函數(shù)的結(jié)果圖，以確認(rèn)相位裕度已從沒(méi)有 C F 的原始 0° 增加到 61° 。

　　圖7 ：確認(rèn) C F帶來(lái)的相位裕度改善的開環(huán)圖
　　找到 C F的最佳值后，可以返回到原始閉環(huán)配置（沒(méi)有添加用于研究 LG 和 NG 的大 L 和 C）并獲得具有最佳 C F 值（在此為 0.25pF）的階躍響應(yīng)。情況）包括在內(nèi)。圖 8是各種 C F 的圖， 以確認(rèn)較大或較小的 C F 值可能不穩(wěn)定，或者可能具有較長(zhǎng)的振鈴和穩(wěn)定時(shí)間，而最佳 C F 會(huì)產(chǎn)生良好的階躍響應(yīng)且振鈴最小。
　　顯然，0pF和7pF是完全不穩(wěn)定的。并不是說(shuō) 7pF 的振蕩頻率比 0pF 的振蕩頻率高很多，因?yàn)樵肼曉鲆婧头糯笃鏖_環(huán)增益圖之間的截距頻率較高，如圖 6 所預(yù)測(cè)。
　　　圖8 ：各種 C F的閉環(huán)階躍響應(yīng)