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運算放大器穩(wěn)定性系列之電容性負載的穩(wěn)定性——具有雙通道反饋的RISO(第二部分)
摘要: 本系列的第 10 部分是我們所熟悉的《電氣工程》雜志中《保持電容性負載穩(wěn)定的六種方法》欄目的第六種方法。這六種方法包括 Riso、高增益和 CF、噪聲增益和CF、輸出引腳補償以及具有雙通道反饋的 RISO。在第 10 部分中,我們將闡述具有雙通道反饋的 RISO。
Abstract:
Key words :

  如圖 10.19 所示,里面會有一些主要的假設。我們將這些假設運用于幾乎所有的具有雙通道反饋的 RISO 電路中。首先,我們假設 CL>10* CF,這也就是說,在高頻率時,CL 早在 CF 短路前短路。因此,我們將短路 CL 以排除 FB#1,從而便于單獨分析 FB#2。另外,我們假設RF>10*Riso,這意味著作為 Riso 的負載,該 RF 幾乎完全失效。從圖 10.19 和圖 10.20 中具體的公式推導,我們可以看出,當 zero, fza = 19.41Hz(由 RF 和 CF 產生)時,F(xiàn)B#2 在原點擁有一個極點。由于在高頻時,CF 和 CL 同時處于短路狀態(tài),所以 FB#2 高頻 1/b 部分即為Ro+Riso 與 Riso之間的比值。FB#2 1/b的公式推導請參閱下一張圖(圖?10.20),有關計算結果請參閱下圖。FB#2 高頻 1/b設置為?3.25dB 或 10.24dB、原點擁有一個極點以及當頻率為 19.41Hz 時的零點。

FB#2 分析:發(fā)射極跟隨器

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圖 10.19 FB#2 分析:發(fā)射極跟隨器

FB#2 1/b公式推導:發(fā)射極跟隨器

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圖 10.20 FB#2 1/b公式推導:發(fā)射極跟隨器

 

  FB#2b的公式推導如圖 10.20 左側所示。由于 1/bb的倒數(shù),所以?FB#1 1/b的計算結果可以輕而易舉的被推導出來,具體推導過程請參閱圖?10.20 右側。從圖中我們還發(fā)現(xiàn),在b推導過程中的?pole, fpa 變成了 1/b推導過程中的?zero, fza。

FB#2 AC 電路分析:發(fā)射極跟隨器

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圖 10.21 FB#2 AC 電路分析:發(fā)射極跟隨器

  為了檢驗 FB#2 的一階分析情況,我們可采用如圖 10.21 所示的 Tina SPICE 電路。再者,為了便于分析,我們將 CL 設置為 10GF,因此對各種相關的頻率而言,CL 都等同于短路狀態(tài)。但是,在開展 AC 分析前,仍允許 SPICE 查找到相應的 DC 工作點。

  Tina SPICE 仿真的結果如圖 10.22 所示。FB#2 1/b曲線正如當?fza= 19.41Hz 以及高頻 1/b= 10.235dB 時,采用一階分析推算出來的結果一樣。另外,我們也繪制出 OPA177 Aol 曲線,以弄清楚在高頻率時,F(xiàn)B#2 將如何與其相交。

FB#2 1/b曲線:發(fā)射極跟隨器

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圖 10.22 FB#2 1/b曲線:發(fā)射極跟隨器

  如果推算的 FB#1 和 FB#2 的疊加結果會產生所需的最終 1/b曲線,那么我們將通過如圖?10.23 所示的?Tina SPICE 電路,開展分析工作。我們還可通過 Tina SPICE 電路,繪制出 Aol曲線、最終的 1/b曲線以及環(huán)路增益曲線。

最終環(huán)路增益分析電路

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圖 10.23 最終環(huán)路增益分析電路:發(fā)射極跟隨器

  從圖 10.24 中,我們可以看出,分析結果驗證了我們所推算的最終 1/b曲線。在環(huán)路增益為零的?fcl 處,推算的接近速率為 20dB/decade。

最終 1/b曲線:發(fā)射極跟隨器

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圖 10.24 最終 1/b曲線:發(fā)射極跟隨器

  最終電路的環(huán)路增益相位曲線(采用 FB#1 和 FB#2)如圖 10.25 所示。相移從未下降至 58.77 度以下(如為當頻率為 199.57kHz時的情況),而且,在 fcl 處(頻率為 199.57kHz),相位裕度為 76.59 度。

最終環(huán)路增益分析

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圖 10.25 最終環(huán)路增益分析:發(fā)射極跟隨器

 

  我們將采用圖 10.26 中的 Tina SPICE 電路,對我們的穩(wěn)定電路進行最后的檢驗——瞬態(tài)穩(wěn)定性測試。

最終瞬態(tài)穩(wěn)定性測試電路

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圖 10.26 最終瞬態(tài)穩(wěn)定性測試電路:發(fā)射極跟隨器

  圖 10.27 中最終電路瞬態(tài)穩(wěn)定性的測試結果符合我們其他所有的推算結果,從而研制出一款性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定的電路。而且,我們可以信心十足的將這種電路投入量產,因為它不會發(fā)生故障或在實際運行中出現(xiàn)異常。

最終瞬態(tài)穩(wěn)定性測試

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圖 10.27 最終瞬態(tài)穩(wěn)定性測試:發(fā)射極跟隨器

最終 Vout/Vin 傳輸函數(shù)電路:發(fā)射極跟隨器

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圖 10.28 最終 Vout/Vin 傳輸函數(shù)電路:發(fā)射極跟隨器

  通過圖 10.28 中的 Tina SPICE 電路,可驗證我們對 Vout/Vin 的推算是否正確。

  從圖 10.29 中,我們可以看出,Vout/Vin 的測試結果與我們推算的一階分析結果一致,具體表現(xiàn)為:當頻率為 625.53Hz 時,單極點開始下降。而且,當頻率約為 200kHz(此時,F(xiàn)B#2 與 OPA177 Aol 曲線相交)時,出現(xiàn)第二個極點。

最終 Vout/Vin 傳輸函數(shù):發(fā)射極跟隨器

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圖 10.29 最終 Vout/Vin傳輸函數(shù):發(fā)射極跟隨器

 

  圖 10.30 總結了一種易于使用的漸進式程序。這種程序輕松地將具有雙通道反饋的 RISO 電容性負載穩(wěn)定性技術應用于雙極發(fā)射極跟隨器輸出運算放大器上。

  1)測量運算放大器的 Aol

  2)測量運算放大器的 Zo,并在圖上繪制出其曲線

  3)確定 RO

  4)創(chuàng)建 Zo 的外部模型

  5)計算 FB#1 低頻 1/b:對單位增益電壓緩沖器而言,該值為 1

  6)將 FB#2 高頻 1/b 設置為比 FB#1 低頻 1/b 高 +10dB(為獲得最佳的 Vout/Vin 瞬態(tài)響應并實現(xiàn)環(huán)路增益帶寬內相移量最少)

  7)從 FB#2 高頻 1/b中選擇 Riso 以及 RO

  8)從 CL、Riso、 RO 中,計算 FB#1 1/b fzx

  9)設置 FB#2 1/b fza = 1/10 fzx

  10)選擇具有實際值的 RF 和 CF,以產生 fza

  11)采用 Aol、1/b、環(huán)路增益、Vout/Vin 以及瞬態(tài)分析的最終值,運行仿真以驗證設計的可行性

  12)核實環(huán)路增益相移的下降不得超過

 

135 度(>45 度相位裕度)

 

  13)針對低噪聲應用而言:檢查 Vout/Vin 扁平響應,以避免增益驟增Vout/Vin 中的噪聲陡升

具有雙通道反饋的 RISO 補償程序:發(fā)射極跟隨器

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圖 10.30 具有雙通道反饋的 RISO 補償程序:發(fā)射極跟隨器

雙通道反饋和 BIG NOT

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圖 10.31 雙通道反饋和 BIG NOT

  當運算放大器采用雙通道反饋回路時,有一種異常重要的情況需要避免,那就是“BIG NOT”。如圖 10.31 所示,存在能夠產生反饋回路的運算放大器電路(反饋回路導致了 BIG NOT),這可從包括有效 1/β 斜坡(從 +20db/decade 驟變?yōu)?–20dB/decade)的最終 1/β 曲線中看出。這種快速變化意味著在 1/β 曲線中存在復共扼極點,因此,也意味著在環(huán)路增益曲線中存在復共扼零點。當處于復合零點/復合極點的頻率時,復合零點和極點產生了 ±90 度的相移。同時,在復合零點/復合極點附近的相位斜坡在頻率發(fā)生位置的窄頻帶,可在 ±90 度至 ±180 度之間變化。出現(xiàn)復合零點/復合極點將在閉環(huán)運算放大器響應中導致增益的驟增。這種現(xiàn)象會造成負面的影響,尤其是對于功率運算放大器電路而言,更是如此。

以圖表的形式創(chuàng)建 BIG NOT

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圖 10.32 以圖表的形式創(chuàng)建 BIG NOT

 

 

  讓我們回到圖 10.17 OPA177 Aol 曲線上的 FB#1 和 FB#2 標繪點,只要改變如圖 10.32 所示的 fza 的位置,就可輕而易舉的創(chuàng)建 BIG NOT。在 fcl 處,按照以往接近速率的情況,顯示這種電路的運行是穩(wěn)定的——但是,果真如此么?

  在圖 10.33 中,我們改變了同時用于分析 FB#1 和 FB#2 的 Tina SPICE 電路,以創(chuàng)建如圖 10.32 所示的 BIG NOT。將 CF 由 82nF 調整為 220pF,以便于將 fza 移到所需的 BIG NOT 創(chuàng)建位置。

環(huán)路增益分析電路:BIG NOT

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圖 10.33 環(huán)路增益分析電路:BIG NOT

1/b曲線:BIG NOT

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圖 10.34 1/b曲線:BIG NOT

  BIG NOT 的 1/b曲線與?OPA177 Aol 曲線一起在圖 10.34 中標繪出來。在 fcl 處,出現(xiàn)了 20dB/decade 的接近速率。但是,請注意在 BIG NOT 1/b曲線中,斜率有一個急劇的變化——從?+20dB/decade 變?yōu)?–20dB/decade。然而,這種 1/b曲線的急劇變化并非是一件好事,為此,我們應質疑這種電路的穩(wěn)定性。

  圖 10.35 中 BIG NOT 電路的環(huán)路增益曲線表明相移幾乎達到了 180 度(當頻率為 1.034kHz時,大于 167 度),這意味著當頻率為 1.034kHz 時,我們僅與 180 度的相移相距約 13 度。同時,請注意觀察在這同一區(qū)域,環(huán)路增益是如何向下朝著零點環(huán)路增益急劇形成尖峰的。同樣,在 fcl 處,有著充足的相位裕度。但是,我們還是會問,這種電路運行穩(wěn)定么?

環(huán)路增益分析:BIG NOT

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圖 10.35 環(huán)路增益分析:BIG NOT

  于是,假設我們在穩(wěn)定性分析技巧方面毫無經驗(事實上并非如此),接著構建這款 BIG NOT 電路。我們期望了解實際應用中的瞬態(tài)穩(wěn)定性會是如何開展的。通過圖 10.36 中的 Tina SPICE 電路,我們可以看到,如果我們將該 BIG NOT 電路投入量產,再將其投入實際的應用中,會產生什么結果呢?

瞬態(tài)穩(wěn)定性測試電路:BIG NOT

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圖 10.36 瞬態(tài)穩(wěn)定性測試電路:BIG NOT

  千萬不要告訴您的上司,我們將該電路投入了量產,否則情況會更糟糕??蛻羰盏侥l(fā)送的、內置這種電路的設備后,發(fā)現(xiàn)有時向電路供電或當其他負載突然饋入該參考緩沖電路時,會出現(xiàn)奇怪和間歇性的問題。這是更新我們的歷史參數(shù)的適當時候嗎?盡管該電路不是振蕩器,但是,如圖 10.37 所示來自瞬態(tài)穩(wěn)定性測試中過度的振鈴和很長的建立時間意味著電路處于穩(wěn)定的邊緣上。根據(jù) BIG NOT 出現(xiàn)的位置,振動器振鈴的持續(xù)時間和振幅更容易變得比本例所述的情況還糟。從電路板和系統(tǒng)層面來考慮,我們將這種電路定義為“不穩(wěn)定”,尤其是當我們的分析工作未涵蓋實際應用中的寄生效應時,情況更是如此(這些寄生效應出現(xiàn)在 PCB 布局、組件容差、運算放大器參數(shù)容差以及組件和運算放大器參數(shù)的溫度變化等方面)。令人感到欣慰的是,我們只將該電路投入“虛擬”的量產,而相應的將我們的具有雙通道反饋的 RISO 應用到即將投入實際使用的電路。

 

 瞬態(tài)穩(wěn)定性測試:BIG NOT

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圖 10.37 瞬態(tài)穩(wěn)定性測試:BIG NOT

 
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