瞬态稳定性测试：注意步长

今年夏天，我有幸负责培训实习生“John”，帮助他排除系统设计项目的故障。这个经历让我想起了我职业生涯中所吸取的一些重要的经验教训。
几天前，John 在测试某个设计的瞬态稳定性数据时，获得了一个重要发现：输出信号的步长对实现准确的结果极其重要。
在当 John 开发某个设计并需要用运算放大器来缓冲 1μF 的负载时，问题出现了。大部分运算放大器都无法直接驱动非常大的电容性负载，因而他不得不设计一套适合的补偿方案。由于不需要输出大电流，因此 John 在运算放大器输出与电容器之间插入了一个串联的隔离电阻器 (RISO)，用以对电路进行补偿，如图 1 所示。





通过利用 TINA-TI（德州仪器 (TI) 基于 SPICE 的模拟仿真程序），我帮助 John 验证了该电路的稳定性。在经过简单处理后，John 选择了能达到 45 度相位裕度的 RISO 值，然后就可以在工作台上进行结果测试。
如果您遇到了同样的问题，那么需要小心。大部分在仿真中测试稳定性的高级方法通常在工作台上并不实用。为了弥补这一问题，需要为会造成运算放大器输出发生微小变化的系统输入一个步长。
针对典型运算放大器系统的结果应出现标准的过冲和振铃响应，如图 2 所示。通过测量过冲百分比，您就可利用图 2 中的表格确定相位裕度。图中结果显示了 10mV 步长下的过冲为 20%，相当于 45 度的相位裕度。





理论介绍完毕后，我便让 John 在实验室中进行过冲百分比的测试。
他回来后告诉我说获得了一些造成过冲百分比测量失真的“奇怪”现象。他记录的函数生成器的最小步长是 100mVpp，并为我展示了图 3 中的结果。





他获得的结果显然与图 2 中所示的响应不同，而且无法与相位裕度相关联。由于步长幅度是唯一的不同之处，因而我告诉他一个窍门，即维持生成器 50Ω 电阻不变，但利用 R1 和 R2 来分离输入信号，如图 4 所示。

图4


图 5 显示了 10mV 输入步长下的测试结果。非常确定的是，上述的奇怪现象已经不见了。我们可以利用这些结果对过冲进行测量，并验证设计已达到大概  45 度的相位裕度。






波形的线性部分及图 3 中的奇怪尖峰都表明运算放大器存在大信号限制，例如压摆率或输出电流限值。当对运算放大器系统执行基于过冲百分比的稳定性测试时，输出变化必须非常小，否则运算放大器的大信号限制性就会造成结果失真。
John 从中学到了重要的一课。如果输出限制在测量过程中改变了步长，那么结果就会出现异常，而且无法与相位裕度相关联。
您在下一次测试运算放大器的稳定性时，在工作台上进行过冲百分比测试的过程中需要将输出变化范围控制在 10 至 20mV 之间。这样就能确保输出小信号。如果结果不连续或无法使用，则可考虑执行交流增益／相位扫描。