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运放相位裕度phase margin

Other Parts Discussed in Thread:OPA189

教科书上的定义:运放的相位裕度phase margin是指运算放大器环路增益AOL*β为0dB时的相位与180 ° 的差值。

但是,在TI的各种文档中,比如如下截图中,phase margin相位裕度是AOL*β在0dB时的相位即80°,为什么不是180-80=100°呢?

user5121988:

以上截图来自附件第31页,期盼TI工程师专家帮忙解答

Solving_Op-Amp_Stability.pdf

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Kailyn Chen:

您好,是的,我也是按照很多资料上写的,相位裕度phase margin指的是运算放大器环路增益AOL*β为0dB时的相位,这样理解的。

我看了下下面这篇应用手册,phase shift是需要180度减去增益在0dB时候的相位:https://www.ti.com/lit/an/slyt087/slyt087.pdf

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user5121988:

您好,感谢您的回复。很抱歉,您的回答让我更糊涂了。

1、首先引用您的回复:对于用phase shift绘制的图形,必须用180度减去phase shift才可以得到phase margin。

   这个说法我表示赞同。

2、同时,该篇应用手册中,也明确的说明了phase margin等于180度减去phase angle。

3、综合以上两条,可以得到这样的结论:

phase angle和phase shift表示的是同一个意思。phase margin=180-phase shift=180-phase angle

4、But,

TI的视频https://edu.21ic.com/video/2607,运放稳定分析2 第8页,第二幅图中,纵坐标是AOL*β的phase angle,在fc频率上,AOL*β的phase angle等于5度,但是却又明确的标明了phase margin也等于5度,而不是等于180-5。这和上述第1、2、3条又是严重矛盾的,又该如何理解?孰对孰错?

phase margin=5度,这个运放电路是不稳定的。

phase margin=175度,这个运放电路是稳定的。

对phase margin的定义不同,将会产生完全相反的结论。

还请TI的工程师和各位专家继续帮忙解答,本人不才,实在是被这个概念问题搞晕了,

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Ruixin Feng:

您好,

关于相位裕度的问题,首先需要明确运放在任何频率下,都是滞后相移,即相位是负值。

先考虑开环情况:

参考下图,在主极点之后开环相移以-45度斜率下降到-90度,在单位增益带宽内保持-90度,在带外极点后以-45度斜率下降到-180度。

而相位裕度本身的定义是相位与-180度的差距,计算方法是当前相位减-180度。因为运放的相位如果是-180度,那么当运放接成负反馈时电路会表现为正反馈,是不稳定的。

举例,1Hz处相移为-60度,此时的相位裕度是-60度减-180度为120度。

但是很多运放的数据手册开环相位的纵轴值会标成正值,其实就是已经做过上述减法了。虽然纵坐标名称为phase,但其实意思是相位裕度。

以opa189为例(下图),红色线是开环相位,纵坐标也是phase,但是坐标值是正值,也就意味着其实纵坐标代表了相位裕度。这样主要是方便读图,例如20MHz相位裕度为30度。

再看你发的这张图,讨论一下闭环的情况。可以看到图中的开环相位Phase(Aol)已经是正值了,所以phase(Aol)=phase(Aol_real)-(-180),phase(Aol_real)是运放的相位值。 而C1在反馈回路中带来的零点会导致闭环相位在零点频率处以45度斜率上升,即phase(1/β)。

因此,运放的开环相位为phase(Aol_real), 环路增益相位为phase(1/β)。计算闭环相位phase(Aol_real*1/β)。

因为是log的计算,所以20log(Aol_real*β),其实就是20log(Aol_real)-20log(1/β)。

因此闭环相位phase(Aol_real*1/β)=phase(Aol_real)-phase(1/β);

相位裕度的计算是相位减-180度,所以相位裕度是phase(Aol_real*1/β)-(-180)=[phase(Aol_real)-phase(1/β)]-(-180)=phase(Aol)-phase(1/β).

到这里就可以理解为什么图中相位裕度是5度了吧。

关于前述的phase angle 和phase shift,意思可以理解为相移,是绝对值。例如运放相位从0变到-20度,此时运放的相位是-20度,但相移是20度。如果用相移来计算相位裕度的话,就是用180度减去相移。

至于如何区别数据手册中的开环相位图指的是相位,相移,还是相位裕度,只需要关注纵坐标值即可。

如果纵坐标为负值,且是从0到-180度,这个曲线的意思就是相位。

如果纵坐标是正值,从上至下为0到180度,这个曲线的意思是相移。

如果纵坐标是正值,从上到下为180度到0,这个曲线意思是相位裕度。

其实不管参数如何标注,理解运放是滞后相位,以及相位裕度的含义就可以了。

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Kailyn Chen:

您好,Ruixin介绍的非常详细,不知您理解了没?

概括来说,相移指的是相位滞后移动了多少度,相位裕量指的是距离180度还有多少余量,环路增益的标准是需要相位裕量需要>=45度。

所以我们可以根据纵坐标值的标注来判断具体指的是相位,相移,还是相位裕量。 

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user5121988:

非常感谢解答。

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