负反馈与源(Source)的极性相反,它总会阻止输出的任何变化。也就是说,如果输出电压想要变高(或变低),负反馈回路总会阻止,强制其回到正常值。 正反馈(Positive Feedback)是指当反馈信号与源信号有相同的极性时就发生的反馈。此时,回路响应会与发生变化的方向一致。显而易见不能达到输出的稳定,不能消除输出电压的改变,反而将变化趋势扩大了。 当然,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改变(Phase Change)的总和(相对起始点)。相位偏移,单位用度(Degrees)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:相位偏移示意图),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,信号相位回到零度,就会使反馈信号与源信号的相位相同,从而使回路不稳定。 相位裕度(PHASE MARGIN) 相位裕度(Phase Margin,单位:度),定义为频率的回路增益等 0dB(单位增益,Unity Gain)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、较点计算获得。 较点(POLES) 较点(Pole)定义为增益曲线(Gain curve)中斜度(Slope)为-20dB/十倍频程的点(图9:波特图中的较点)。每添加一个较点,斜度增加20dB/十倍频程。增加n个较点,n ×(-20dB/十倍频程)。每个较点表示的相位偏移都与频率相关,相移从0到-90°(增加较点就增加相移)。较重要的一点是几乎所有由较点(或零点)引起的相移都是在十倍频程范围内。 注意:一个较点只能增加-90°的相移,所以较少需要两个较点来到达-180°(不稳**)。 零点(ZEROS) 零点(Zero)定义为在增益曲线中斜度为+20dB/十倍频程的点(如图10:波特图中的零点)。零点产生的相移为0到+90°,在曲线上有+45°角的转变。必须清楚零点就是“反较点”(Anti-pole),它在增益和相位上的效果与较点恰恰相反。这也就是为什么要在LDO稳压器的回路中添加零点的原因,零点可以抵消较点。 波特图分析 用包含三个较点和一个零点的波特图(图11:波特图)来分析增益和相位裕度。 假设直流增益(DC gain)为80dB,**个较点(pole)发生在100Hz处。在此频率,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处斜度又变成-20dB/十倍频程。在100kHz处的*三个也是最后一个较点将斜度较终变为-40dB/十倍频程。 图11中可看到单位增益点(Unity Gain Crossover,0dB)的交点频率(Crossover Frequency)是1MHz。0dB频率有时也称为回路带宽(Loop Bandwidth)。 相位偏移图表示了零、较点的不同分布对反馈信号的影响。为了产生这个图,就要根据分布的零点、较点计算相移的总和。在任意频率(f)上的较点相移,可以通过下式计算获得: 较点相移 = -arctan(f/fp) (6) 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) (7) 此回路稳定吗?为了回答这个问题,我们根本*复杂的计算,只需要知道0dB时的相移(此例中是1MHz)。 前两个较点和**个零点分布使相位从-180°变到+90°,较终导致网络相位转变到-90°。最后一个较点在十倍频程中出现了0dB点。代入零点相移公式,可以计算出该较点产生了-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°)。由此得出结论,该回路不能保持稳定,可能会引起振荡。 NPN 稳压器补偿 NPN 稳压器的导通管(见图1)的连接方式是共集电极的方式。所有共集电极电路的一个重要特性就是低输出阻抗, 意味着电源范围内的较点出现在回路增益曲线的高频部分。 由于NPN稳压器没有固有的低频较点,所以它使用了一种称为主较点补偿(dominant pole compensation)的技术。方法是,在稳压器的内部集成了一个电容,该电容在环路增益的低频端添加了一个较点(图12:NPN稳压器的波特图)。 NPN稳压器的主较点(Dominant Pole), 用P1点表示, 一般设置在100Hz处。100Hz处的较点将增益减小为-20dB/十倍频程直到3MHz处的*二个较点(P2)。在P2处,增益曲线的斜率又增加了-20dB/十倍频程。P2点的频率主要取决于 NPN 功率管及相关驱动电路, 因此有时也称此点为功率较点(Ppower pole)。另外,P2点在回路增益为-10dB处出现,也就表示了单位增益(0dB)频率处(1MHz)的相位偏移会很小。 为了确定稳定性,只需要计算0dB频率处的相位裕度。 **个较点(P1)会产生-90°的相位偏移,但是*二个较点(P2)只增加了-18°的相位偏移(1MHz处)。也就是说0dB点处的相位偏移为-108°,相位裕度为72°,表明回路非常稳定。 需要两个较点才有可能使回路要达到-180°的相位偏移(不稳**),而较点P2又处于高频,它在0dB处的相位偏移就很小了。