2 位相マージンはどれぐらい必要でしょうか？

オペアンプのループ安定性は位相マージンで測定されます。これは、出力の閉ループ ゲインがユニティを下回ったときの出力信号の位相シフトが 360 度から変化する差です。あらゆるオペアンプに固有のシフトもある中で (例えば主要な極)、追加のシフトはアンプを取り囲むアプリケーションと部品に依存します。

経験則によって 30 度、45 度、または 60 度の位相マージンが推奨されていますが、信頼性の高いパフォーマンスを確保するために実際にはどの程度必要ですか。従来のミラー補償オペアンプでは、標準的なプロセスの変動をシミュレートし、結果として位相マージンへの影響を確認することができます。

図 1 は、1MHz のユニティ ゲイン帯域幅で Zo = 300Ω のオペアンプの開ループ ゲイン (Aol) と出力インピーダンス (Zo) を概算します。プロセスの変動を通して、ミラー コンデンサ (C26) の値は約 ±30% 変化し、温度範囲全体でさらに ±30% (近似値) 変化することがあります。この変動から合計誤差は ±30% × ±30%、これは ±30% + ±9%、または ±39% の変動と同じです。ミラー コンデンサの値はオペアンプの Aol の主要な極の配置を変化させるため、この変動はユニティ ゲイン帯域幅と位相マージンに大きな影響を及ぼす可能性があります。そのため、高精度アンプや高速アンプであっても、これらの仕様は常に標準値として与えられます。

図 1 テキサス・インスツルメンツ回路用の開ループ ゲインと出力インピーダンス PSpice®

図 1 のアンプは、帰還ループが 45 度の位相マージンを持つように、負荷抵抗と容量で設定されています。ループ安定性の主要な要因、つまりミラー コンデンサ、開ループ出力インピーダンス、アンプ周辺のパッシブ デバイスについてモンテカルロ分析を実行すると、プロセス変動に伴う変化や温度が回路の位相マージンにどのような影響を及ぼすかを推定できることがわかります。

図 2 に、結果として得られる位相マージンを示します。この解析では、ミラー コンデンサに ±40% の変動、Zo に ±15% の変動、負荷コンデンサに ±10%、負荷抵抗に ±5% の変動を適用しました。これらは、ミラー コンデンサと Zo の予想される内部許容誤差と、多くの汎用アプリケーションの部品の標準精度です。

図 2 推定されるプロセス変動と温度変動を対象にした 5,000 回のモンテカルロ分析の実行

この変動全体にわたって、帰還ループの位相マージンには最小位相マージンが 19 度 (45 度から 26 度のシフト) になります。プロセス変動や温度に対しても、回路は約 27 度の位相マージンを持っていれば安定した状態を維持しますが、45 度で優れた過渡性能とセトリング タイムの両方を実現できます。位相マージンが 0 度に近いほど、出力が最終値をオーバーシュートし、最終的な出力値に安定するのにかかる時間が長くなります。45 度の位相マージンにより、設計上の十分な許容誤差が実現されるので、セトリング タイム時間を犠牲にしたり、過剰なオーバーシュートを発生させたりすることなく、位相マージンをシフトできます。

これらのシミュレーションは、ミラー コンデンサの変動が性能に及ぼす影響を理解するのに役立ちますが、設計の性能に最終的な責任を負うのは回路設計者です。シミュレーションは、計算の集約度を低くするために多くの理想的な特性を想定し、含まれている非理想性と同程度正確なだけです。