在进行系统设计时，需要清楚的了解运算放大器的稳定性，这是因为通过分析运算放大器的稳定性，首先，可以得到最佳的稳定时间，以符合系统的要求；其次，在运算放大器设计不合理引起振荡时，可以采取有效措施使系统恢复稳定，并有效防止过冲；最后，可以避免一些系统缺陷在量产后才被发现，从而节省宝贵时间。

相位裕量定义

相位裕量是分析运算放大器稳定性的一个重要参数，相位裕量是指运算放大器开环增益为0dB时的相位与180 ° 的差值，对于一个固定的运算放大器设计，相位裕量只有一个。如图1所示，可以看出在开环增益为0dB时，AD8648的频率约为25MHz，此时的相位值约为106 ° ，故相位裕量为74 。

图1 典型的运算放大器增益/相位曲线（取自AD8648数据手册）(略)

如果系统的环路增益大于等于0dB且相移超过180 ° 时，闭环的放大电路就会不稳定产生振荡，而相位裕量表明了距离产生自激振荡的裕量大小，这也是相位裕量成为标志运算放大器稳定性的一个重要参数的原因之一。

影响相位裕量的因素包括闭环回路的噪声增益和负载情况。一般而言，噪声增益愈小则相位裕量愈小，因此单位增益的系统是最难稳定的。同时，在选择运算放大器作为增益缓冲器时，应当注意运算放大器在单位增益接法下是否能保持稳定。纯阻性负载一般对相位裕量没有影响，感性负载对相位裕量有改善作用，而实际应用中最常应用的容性负载则会降低运算放大器电路的相位裕量，从而导致系统易产生自激振荡。

图2示意了时域和频域角度下，相位裕量对系统稳定性的影响。可以看出在时域中，相位裕量下降将导致信号的上升沿和下降沿的振荡加大，使得系统的稳定时间延长。而在频域中，相位裕量下降将使转折频率处出现尖峰。

图2 相位裕量减少对系统的影响(略)

对于有负载的系统，可以通过分析系统的频率响应获得相位裕量的计算公式。对于简单的系统，可以采用下面的简单步骤来判读系统是否稳定，即根据阶跃响应的过冲大小来估计相位裕量。对阶跃响应输入，一般可选用峰峰值为100mV的信号进行测试，这样可以避免压摆率的非线性问题，如果此时在系统的输出端观察到过冲或振荡，则需要重新考虑系统的稳定性。

图3给出了过冲与相位裕量的关系曲线，需要指出的是复杂的零极点网络可能不遵循此规律。

图3 过冲与相位裕量关系曲线(略)

系统稳定性改善方法

提高系统稳定性的方法有两种，一、选用速度较低的放大器或选用更大相位裕量的放大器；二、对现有放大器进行补偿。实际应用中第二种方法更加可行，补偿的目的是使系统的相位裕量达到60 ° ，以获得最好的稳定性和速度。

常见的补偿方法有三种，一、输出串联电阻补偿（如图4所示），该方法多用于非轨到轨放大器驱动容性负载的电路中；二、缓冲器电路补偿（如图5所示），该方法在轨到轨输出放大器的相位补偿中很常见，当然也可以用于非轨到轨的放大器电路中。图6给出的伯德图，显示了缓冲器网络的作用。图中长虚线是无负载电容时的幅频响应曲线，当加入负载电容时，该电容产生一个极点P2old，如实线所示，从而降低了相位裕量。短虚线显示的是加入缓冲器网络后的频率响应，它引入了一个极点P1和一个零点Z1，从而使P2old移至P2new，改善了系统的相位裕量；三、环路内补偿（如图7所示），该方法具有最好的稳定性，但最为复杂，它是通过在放大器反馈环路中加入电阻Rx和电容Cf实现。该方法只能用于电压反馈型运算放大器，同时Rx的加入将导致输出的直流误差增大，并降低输出摆幅。

图4 串联电阻补偿(略)

图5 缓冲电路补偿(略)

图6 缓冲电路补偿原理的伯德图(略)

图7 环路内补偿(略)

下面给出了计算补偿电路中电阻和电容值的公式，其中Rout是指运算放大器的开环输出阻抗。Rout可以利用查找数据手册中的闭环阻抗Zout而估算得到，具体方法是找到Zout曲线的交叉点，读出此处的阻抗值，该值即为开环输出阻抗Rout的估计值。
总之，在进行系统稳定性分析时，首先，要注意检查电路对阶跃输入的响应；而后，通过测量系统输出的过冲来检查系统相位裕量的大小；最后，根据需要，选用合适的方法进行补偿。


问答选编

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问：运算放大器和ADC相连时，应该如何考虑带宽、频响与稳定性问题？

答：可以从以下几个方面入手，选择合适的驱动器：
?单位增益带宽> 4xFFLT
?转换速率> 2x (2pfVop)
?稳定至0.01%的时间< tACQ
?THD + 噪声必须低于ADC的要求。

问：OP482在电压跟随器（单位增益）方式下工作时，是否能驱动AD7656/AD7657/AD7658 稳定工作?

答：OP482是单位增益稳定的，而AD7656是16位ADC， 因此建议选用OP2177。OP2177具有低失调电压（60μV， 最大值）和极低的失调电压漂移（0.7 μV/"C，最大值）。

问：使用高共模输入电压的运算放大器需要注意什么？运算放大器串入滤波电路是否会导致运算放大器不稳定？

答：高共模输入电压运算放大器要按照数据手册的要求使用；串入滤波电路是否会导致 放大器不稳定则主要取决于该电路的容性负载。

问：放大器的稳定性在小信号与大信号时是否存在差别?

答：系统的稳定性取决于系统的相位裕量，而与输入信号没有关系。

问：如果两级电路分别稳定，如何避免电路串联在一起时的不稳定问题？

答：串联在一起的两级电路相互会有影响，应该对串联起来的电路的频响和相位裕量进行分析，保证相位裕量大于45 ° 。

问：对于闲置的放大器通道应如何处理？

答：对于闲置放大器，最好把其同向输入端接地，并令其反向输入端与输出相连。

问：运算放大器稳定性中有个10倍频法则，是不是通过它就可以较好地解决大部分运 算放大器不稳定 的问题？

答：运算放大器的稳定性可以归根到伯德图的幅频/相频响应，通常保证50"以上的相位裕量即可。

问：当在系统中串入/并入一个电容/电阻时，怎么判断是引入了一个零点还是极点？怎样 改变其值从而 改变相位裕量？

答：通过求出电路的传递函数，可以判断是产生了零点 还是极点。在求出传递函数后，可通过绘制伯德图分析相位裕量。

问：高频放大器稳定性的必要条件有哪些?

答 ：输入寄生参量小、输入电路达到匹配及增益不能太大。

问：对于低噪声放大器（LNA）的稳定补偿，采用哪种方法可达到无条件稳定?

答：稳定有源器件的方法之一是在输入端或输出端添加一个串联电阻或者一个分流电 导，但需保证该点处于输入或输出稳定周期内。

问：使用缓冲器网络补偿时，多大的电阻/电容值能得到最好的效果？如何计算它们的具体数值?

答：一般缓冲器网络补偿的推荐电阻/电容值都会在数据手册中给出，只需要在这些推荐值的基础上进行细微的调整和实验，即可得到最佳效果。

问：高速运算放大器应用中如何防止电路自激？

答：1.让反馈通路短路；
2.减少运算放大器的输入和输出端的寄生现象；
3.去除高速运算放大器下的接地面；
4.选用差分解耦，而非标准解耦。

问：有没有直观的方法判断零点是在左半平面或右半 平面，而无需计算复杂的传递函数？

答：可用一个阶跃信号作为输入，观察输出信号，如果过冲较大或存在振荡，则可判断系统尚不稳定。

问：从Gain-Phase图来看，是否带宽越宽的系统比较容易稳定？

答： 对某一个放大器而言，它的Gain-Phase曲线是唯一的。 从Gain-Phase图来看，如果闭环增益定了，系统的带宽也就定了。闭环增益越大，闭环的带宽就越小，稳定性越好。

问：高频应用，选取放大器要注意什么?

答：在 高频应用中，往往需求最大功率传输，这就需要 输入和输出级的阻抗匹配。在HF、RF频段，通常选用VGA或者LNA（低噪声放大器）。

问：用运算放大器设计音频放大器有哪些注意事项？

答：对于音频应用，放大器的带宽、噪声和放大器的失真性能非常重要。一定要选取噪声低、失真小的放大器。另外，如果是驱动耳机或者其他音频驱动电路，则要求运算放大器的输出电流较大。