回答:
安定性はゲインだけでなく、位相にも依存します。反転増幅器の位相シフトが180°の場合、合計位相シフトは360°であり、発振のバルクハウゼン基準の 1つが満たされます。
アンプは、外部回路が最適であっても安定する能力が異なります。特定のアンプタイプの安定性の可能性を評価するには、オープンループアンプの「ゲイン対周波数」と「位相対周波数」の両方のグラフィックデータが必要です。ゲインが1を超える周波数で位相応答が!180Eを示す場合、負帰還は正帰還になり、アンプは実際に発振を維持します。位相遅れが!180E未満で持続的な発振がない場合でも、位相応答がすべての周波数に対して-180°を「十分に下回っていない」場合、オーバーシュートが発生し、外部ノイズ源によって発振バーストがトリガーされる可能性があります。ここで、ゲインは1以上です。「十分に少ない」 位相マージン。位相応答が-135°の場合、位相マージンは45°(「未満」の量-180°)です。実際には、安定性の可能性を評価するための対象の位相マージンには、フィードバック回路の位相応答も含める必要があります。この結合位相マージンが45°以上の場合、アンプは非常に安定しています。45°の数値は「経験則」の値であり、位相マージンが大きいほど安定性が向上し、オーバーシュートが少なくなります。
常にではありませんが、多くの場合、最低の位相マージンは最高の 周波数であり、ゲインは1以上です。周波数に依存しない遅延が常に存在するためです。これは、より高い周波数でより多くの度合いを表します。ユニティオープンループゲインの高い周波数で45Eの位相マージンを持つアンプは、「ユニティゲイン安定」と言われています。必要に応じて、スルーレートまたは高周波ノイズをいくらか犠牲にして、ほとんどのアンプタイプでユニティゲインの安定性を補償できます。安定性が優先度の高いものと見なされる場合、トレードオフを行う必要があります。ユニティゲインスタビリティとは、通常、安定性が最も悪い閉ループゲインが最小で安定した動作を意味します。
(ここから)
ユニティゲインは、100%フィードバックを高ゲインアンプに適用することで実現されます。入力と出力の間に位相シフトがあり、オープンループゲインが1よりも大きい任意の周波数で位相シフトが180度以上になると、発振が発生します(実際には常に一定の周波数範囲で)。
ユニティゲインの高いフィードバックの状況は、180度の位相シフトを持つ周波数(通常は応答範囲の最上部)を回避するのが最も難しい状況です。
実際には、「180度未満」だけでは十分ではありません。発振に近づいているアンプは「リンギング」し、高速エッジまたは高周波成分を含む信号で望ましくない過渡応答を生成します。したがって、システムを横切る位相シフトが発生する可能性のあるすべての周波数で180度から十分に離れるように、アンプを動作不良の領域から遠ざけるために、ある程度の「位相マージン」が必要です。
負帰還は増幅器を安定させ、正帰還は増幅器を安定化します。
寄生抵抗と寄生容量のため、アンプは必然的にローパスフィルターとして機能します。これは、減衰に加えて位相シフトがあることを意味します。アンプのステージが多いほど、位相シフトの可能性が高くなります。
2段以上のアンプ(つまり、ほぼすべてのオペアンプ)の周波数応答には、複数のブレーク周波数が含まれます。各ブレーク周波数付近で、位相シフトが増加します。最初のブレーク周波数の後、約90度の位相シフトがあり、2番目のブレーク周波数の後、約180度の位相シフトがあります(実際、最初の2つだけが重要です)。
180度の位相シフトにより、負のフィードバックが正のフィードバックに変わります。それは問題だ。その時点でのフィードバックパスの「ループゲイン」が1つ以上の場合、アンプが発振します。
したがって、フィードバックループのゲインが2番目のブレーク周波数に達する前に1未満に低下するように、アンプを設計する必要があります。OP-AMPメーカーは、最初のブレークポイントの周波数を下げて、2番目のブレークポイントでのゲインを下げるために、意図的にアンプにキャパシタンス(「補償」と呼ばれる)を追加することでこれを行います。もちろん、これはアンプの帯域幅を減らします。
ただし、フィードバックループのゲインは、アンプだけでなくフィードバック分周器にも依存します。アンプの閉ループゲインが高いほど、フィードバックループのゲインは低くなります。非反転ユニティゲインアンプは、出力の100%を入力にフィードバックするため、最悪のケースです。したがって、低ゲインアンプには、高ゲインアンプよりも大きな補償容量が必要です。
したがって、高速オペアンプのメーカーが選択肢を提供します。これは、低ゲインと高ゲインのアプリケーション向けに異なるモデルのアンプリファイアを使用することで実現される場合があります。時には(たとえばAD8021で)これは、補償コンデンサを外付けすることで行われます。