运放稳定性21-23

2019-01-19 15:30

现在,我们必须测量如图10.6所示的Zo(小信号AC开环输出阻抗)。该Tina SPICE测试电路将测试空载OPA177的Zo。R2和R1以及LT为低通滤波器函数提供了一条AC通道,这样,使得我们能将DC短路和AC开路一起并入反馈电路。DC工作点在输出端显示为接近零伏,这也就是说,OPA177没有电流流入或流出。此时,通过运用1Apk AC电流生成器(我们能够扫视10mHz至1MHz的AC频率范围),Zo的测量工作就可以轻松完成。最后,得出测量结果Zo = Vout(如果将测量结果的单位从dB转换为线性或对数,那么Vout也将为以欧姆为单位的Zo)。

图10.6 空载Zo测试电路:发射极跟随器

从图10.7中,我们可以看出,OPA177 Zo是双极发射极跟随器输出级所独有的特征,而且这种输出级的Ro在OPA177单位增益带宽之内,是控制输出阻抗的专门组件。OPA177的Ro为60欧姆。

图 10.7 开环输出阻抗:发射极跟随器

图 10.8 Zo外部模型:发射极跟随器

为了使1/β分析的情况包括在Zo与Riso、CL、 CF以及RF之间相互作用的影响结果内,我们需将Zo从运算放大器的宏模型中分离出来,以便于弄清楚电路中所需的节点。这种构思如图10.8所示。U1将提供了产品说明书中的Aol曲线,并从Riso、CL、 CF以及RF的各种影响中得到缓冲。

图 10.9 Zo外部模型详图:发射极跟随器

通过如图10.9所示的Zo外部模型,我们能够测量Zo与Riso、CL、RF以及CF之间相互作用对1/β的影响。在Zo外部模型中,设置Ro = Ro OPA177,实际测量值为60欧姆。压控电压源VCV1将运算放大器宏模型U1从 Ro、Riso、CL、CF以及RF中隔离开来。将VCV1设置为x1,以确保产品说明书中的Aol增益不变。由于我们要在稳定性状况最糟的情况下(只存在CL以及我们计算得出的空载Zo [此时Ro=60 欧姆])分析这种电路,因此,务必排除各种大的DC负载。VOA是一个与运算放大器相连的内部节点,在实际工作中,我们无法实现对这种节点的测量。同时,许多SPICE宏模型上的这种内部节点接入,也并非易事。对1/β进行分析(相对于VOA),已涵盖了Ro、Riso、CL、CF以及RF 的影响。如果未采用Zo外部模型,SPICE中的最终稳定性仿真就无法标绘出1/β的曲线;但是,如果采用Zo外部模型,则可标绘出环路增益的曲线以确认我们分析的正确性。

首先,我们要分析如图10.10所示的FB#1。请注意,由于我们只分析FB#1,所以CF可视为处于开路状态。接下来,我们将分析FB#2。然后,通过采用叠加的方法,将两条反馈通道合并在一起,求取最终的1/β。分析结果如图上所示,有关的公式推导和具体细节,请参阅下一张图(图10.11)。我们发现,当fzx=183.57Hz时,FB#1 1/β曲线的增益为零。低频1/β值为1。如欲获得该增益,那么低频1/β值应大于1。

图 10.10 FB#1分析:发射极跟随器

图 10.11 FB#1 1/β公式的推导:发射极跟随器

FB#1β的公式推导如图10.11左侧所示。由于1/β是β的倒数,所以FB#1 1/β的计算结果可以轻而易举的被推导出来,具体推导过程,请参阅图10.11右侧。从图中我们还发现,在β推导过程中的pole, fpx变成了1/β推导过程中的 zero, fzx。我们将采用如图10.12所示的电路来开展AC分析:通过Tina SPICE,求取FB#1的1/β,OPA177的Aol以及只采用FB#1电路的环路增益。正因为如此,所以我们将CF从图中除去。

图 10.12 FB#1 AC电路分析:发射极跟随器

FB#1 1/β的结果标示在图10.13中的OPA177 Aol曲线上。在环路增益为零的fcl处,我们发现,接近速率为 40dB/decade:[(Aol曲线上的–20dB/decade) – (FB#1 1/β曲线上的+20dB/decade )= –

40dB/decade 接近速率)]接近速率的经验数据表明了存在的不稳定性。我们对FB#1的分析是基于zero、fzx = 183.57Hz,低频1/β = 1的情况。从图10.13中可以看出,我们的一阶分析准确地推算出了FB#1 1/β的数值。

图 10.13 FB#1 1/β曲线图:发射极跟随器

从图10.14中我们发现,只配置FB#1的电路环路增益分析显示,在环路增益为零的fcl处,相位裕度接近零。这样,就明确证实了电路的不稳定性。通过检测图10.13中Aol曲线上的FB#1 1/β曲线,可推算出环路增益曲线上的极点和零点。

图 10.14 FB#1环路增益分析:发射极跟随器

图 10.15 FB#1瞬态稳定性测试电路:发射极跟随器

如果我们有任何疑问,或如果只采用FB#1构建参考缓冲电路,此时,我们可运用如图10.15中的电路,进行实际的瞬态稳定性测试。

图10.16中的瞬态稳定性测试结果同时与Aol曲线上的1/β值和环路增益曲线一致,因此,证明了只采用FB#1构建参考缓冲电路,将导致电路运行的不稳定性。


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