原创 线性稳压器件：工作原理及补偿（二）

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回路增益（LOOP GAIN） <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

每个闭环系统都有个特性叫做回路增益。在稳压器的分析中，回路增益定义为反馈信号通过整个回路后的电压增益。为了更好的解释这个概念，LDO的框图（如图2）修改如下图6所示：

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变压器用来将AC信号发射到‘A’、‘B’点间的反馈回路。应用这个变压器，小信号正弦波可以用来量化（‘modulate’）反馈信号。AC信号在A、B点间被测量并用来计算回路增益。 回路增益定义为两点电压的比：

Loop Gain ＝ Va/Vb

特别需要注意的是，从Vb点开始的信号通过回路时会出现相位偏移（最终到达Va点）。相位偏移的多少决定了回路的稳定性。

反馈（FEEDBACK）

所有的稳压器都用到了反馈以使输出电压稳定。输出电压是通过电阻分压器进行采样的（如图6），并且该分压信号反馈到误差放大器的一个输出端。

因为误差放大器的另一个输出端连接到一参考电压源上，误差放大器将会调整输出到导通管的输出电流以保持DC电压的稳定输出。 必须要注意，为了达到稳定的回路就必须使用负反馈（negative feedback）。负反馈（有时称为degenerative feedback）就与源信号的极性相反（如图7）。

由于与源的极性相反，负反馈总会阻止任何的输出变化。也就是说，如果输出电压想要变高（或变低），回路总会阻止其到正常值。 正反馈（Positive Feedback） 当反馈信号与源信号有相同的极性时就会发生正反馈。此时，回路响应会与发生变化的方向一致。这样明显不能达到稳定，因为不能消除输出电压的改变，反而将变化趋势扩大了。很明显不会有人在线性稳压器件中使用正反馈，但是如果出现180°的相移，负反馈就成为正反馈了。

相位偏移（PHASE SHIFT）

相位偏移就是反馈信号经过整个回路后出现的相位转变的总和（相对起始点）。相移（用度表示）通常使用网络分析仪（network analyzer）测量。理想的负反馈信号与源信号相位差180°（如图8），因此它的起始点在－180°。在图7中可以看到这180°的偏置。也就是波型差半周。

可以看到，从－180°开始，增加180°的相移，就会使信号相位回到零度。这也就使反馈信号与源信号相位相同了，并使回路不稳定。

相位裕度（PHASE MARGIN）

相位裕度定义为在回路增益等于0dB时，反馈信号总的相位偏移与－180°的差。一个稳定的回路一般需要20°的相位裕度。相位偏移和相位裕度可以通过波特图中的零、极点计算获得。

极点（POLES）

极点（如图9）就是增益曲线中斜度为－20dB/十倍频程的点。每添加一个极点，斜度增加20dB/十倍频程。增加n个极点，n×（－20dB/十倍频程）。

每个极点表示的相位偏移都是频率相关的，相移从0到－90°（增加极点就增加相移）。最重要的一点是几乎所有由极点（或零点）引起的相移都是在十倍频程范围内。注意：一个极点只能增加－90°的相移，所以最少需要两个极点来到达－180°（不稳定点）。

零点（ZEROS）

零点（如图10）在增益曲线中斜度为＋20dB/十倍频程的点。

零点产生的相移为0到＋90°，在曲线上有＋45°角的转变。首先要知道的是零点就是“反极点”，它在增益和相位上的效果与极点恰恰相反。这也就是为什么要在LDO稳压器的回路中添加零点的原因：它可以抵消极点的效果。

波特图分析

一个包含三个极点和一个零点的波特图（如图11）将用来分析增益和相位裕度。

假设直流增益为80dB，第一个极点发生在100Hz处。在此频率时，增益曲线的斜度变为－20dB/十倍频程。 1kHz处的零点使斜度变为0dB/十倍频程，到10kHz处增益曲线又变成－20dB/十倍频程。在100kHz处的第三个也是最后一个极点将增益斜度最终变为－40dB/十倍频程。 也可以从图中看到单位增益点（0dB）交点频率是1MHz。0dB频率通常称为回路带宽（loop bandwidth）。 相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。为了产生这个图，就要根据分布的零极点计算相移的总和。在任意频率（f）上的极点相移，可以通过下式计算获得：

极点相移＝ －arctan(f/fp)

在任意频率（f）上的零点相移，可以通过下式计算获得：

零点相移＝ －arctan(f/fz)

此回路稳定么？为了回答这个问题，我们只需要知道0dB时的相移（是1MHz）。根本无需复杂的计算。 前两个极点和第一个零点分布使相位从－180°变到＋90°，最终导致网络相位转变到－90°。最后一个极点在十倍频程中出现了0dB点。使用零点相移公式，该极点产生了－84°的相移（在1MHz时）。加上原来的－90°相移，全部的相移是－174°（也就是说相位裕度是6°）。该回路可能引起振荡。

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