全國服務熱線: 400-889-8821

1

愛浦電子_專業研發、生產、銷售1-700W模塊電源生產廠家!

簡體中文
簡體中文

新聞資訊

——

 

企業動態

行業動態

聯系我們

——

 

聯系方式

在線留言

樣品申請

——

 

快速申請

產品選型

招賢納士

——

 

人才招聘

 

數據統計:

?2019 廣州市愛浦電子科技有限公司版權所有   粵ICP備12004597號   網站建設:中企動力廣州 

友情鏈接:容亮電子

>
>
>
做到這三步,輕松實現運放電路穩定性

技術中心

Technology

做到這三步,輕松實現運放電路穩定性

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/10/20
瀏覽量

集成運算放大器的參數有很多,但涉及到實際應用環境的不同,一些參數非常重要,另外一些則相對次要。例如,在交流高頻領域,會重視帶寬和壓擺率,而在直流精密場合,則重視輸入失調電壓、輸入偏置電流。還有一些參數,不管直流還是交流,都會重點關注,如開環增益、共模抑制比、電源抑制比等。

但是穩定性設計提及的頻率非常低,可能大部分設計人員認為正反饋才振蕩,負反饋運放電路不穩定是一個小概率的事情。特別是在直流精密領域,仿佛從來沒有穩定性這么一個說法,大家就把它放在教科書里面而已。但是穩定性不發生問題則以,一旦發生問題,則是較難處理的問題。精度不好,可以用軟件校驗的方式校準,線性度不好可以采用多段線方式來標定。但是一旦硬件振蕩,可能不是細微改動運放附近電路的參數就能解決,大部分情況下面臨著改 PCB 板的風險,改 PCB 板意味著設計定型的時間延遲,這對產品生產、上市的壓力可想而知。

因此,對于模擬量采集系統,不管運放是作為 ADC 的前級信號整理,還是作為 DAC 的后級輸出,在原理圖設計定型之前,化一定的時間來評估穩定性,還是很有必要。其實完成運放的穩定性設計也并不復雜,通常通過理論分析、仿真評估、測試驗證這三個步驟就可完成。下面將通過一個實際設計案例,依次敘述這三個步驟的內容。

2 運放穩定性理論分析
2.1 運放電路穩定的條件
運放的增益可用波特圖來表示,波特圖就是增益與頻率的關系。波特圖上有零點、極點,零點和極點對運放電路增益的幅度和相位造成影響。

Ø極點的影響
設增益幅度在運放的帶寬內為 A(dB),在極點 P1 處有 3dB 的衰減,并且自極點以后以 -20dB/10 倍頻的斜率線性衰減。對于相頻特性,在極點 P1 處有 -45°的相移,并且從極點頻率的 1/10 到極點頻率的 10 倍處,有 -45°/10 倍頻的相移,最大會達到 -90°的相移。

Ø零點的影響
零點的影響與極點相反。設增益幅度在運放的帶寬內為 A(dB),那么在零點 Z1 處有 3dB 的增加,并且自零點以后以 20dB/10 倍頻的斜率線性增加。對于相頻特性,在零點 Z1 處有 45°的相移,并且從零點頻率的 1/10 到零點頻率的 10 倍處,有 45°/10 倍頻的相移,最大會達到 90°的相移。

 
圖 1 極、零點對增益和相位的影響

Ø運放負反饋電路穩定性標準
所謂負反饋,是指把放大器的電壓或者電流輸出量通過一定的方式,反送到輸入端,且反饋信號使凈輸入信號減弱的過程。運放負反饋電路有這么一個關系式:

式中,ACL 為閉環增益,AOL 為開環增益,F 為反饋系數。如果 1+AOL*F=0, 那么代表閉環增益無限大,這種情況下,小的輸入信號將被無限放大而振蕩。1+AOL*F=0 也意味著 AOL*F = -1,其數學意義為開環增益 AOL 與反饋系數 F 的乘積的絕對值為 1,但它們的相位相差 180°。如果放入對數軸上, AOL*F=-1 就是 AOL 對數曲線與 1/F 對數曲線交叉時,相位差達到 180°。

由于一個極點意味著 -45°的相移,在其 10 倍頻處變成 -90°相移,那么兩個極點最大就意味著 -180°的相移。如圖 2 兩極點 P1,P2 所示,當 AOL 曲線與 1/F 曲線在第二個極點 P2 后相交,則可能在交點處甚至還沒到達交點之前,相移已經達到 -180°而進入振蕩區。

要使運放負反饋電路穩定,應當保證 AOL 與 1/F 相交時,相移不會達到 180°,甚至不超過 135°。一個直觀化的理解,可以認為是規劃 AOL 曲線與 1/F 曲線的零、極點,使之以小于 40dB/10 倍頻的速度相交。

 
圖 2 負反饋放大電路模型及振蕩模型

2.2 實際電路分析
下面是一個由 0~10V 電壓轉 0~20mA 電流的單運放解決方案。這個電路的傳輸公式很經典,理想情況下,Io = Vin*(R2/(R1*R5)),Io 與 Vin 成線性關系,能夠很好地實現電壓電流轉換,且另一好處是成本能做到很低廉。但仔細觀察,其輸出反饋接到反相端的同時,也反饋到正相端,運放輸出端接 470Ω后到三極管的基極,意味著又接了一個大阻抗器件然后才到負載端,并且負載端容性負載也較大,這就需要好好思考穩定性問題了。因為任何運算放大器,其開環增益 AOL 本身自帶一個極點 P1,所以分析穩定性,關鍵要分析電路有沒有第二個極點 P2,以及第二個極點 P2 的頻率位置,第二個極點越靠前,發生在低頻處,則越容易振蕩。

 
圖 3 實際電壓轉電流原理圖及等效原理圖

上圖右圖中,把 Q1 用等效模型替代后,可以很清楚地看到,電路是有第二個極點的,極點的位置如下。

從穩定性而言,本電路要解決兩個問題,一為初步確定第二極點 P2 的位置,從上述公式可以看到,因為 Rbe 是三極管β、Vbe(on)的函數,也是 Io 的函數,β和 Vbe(on)可以通過三極管的數據手冊查到,但是兩個參數都不是唯一,這種情況下可以考慮最嚴酷的情況,即三極管β、Vbe(on)取最大值,而 Io 取最小值,這樣 Rbe 應當遠大于 RL,P2 基本由 RL 與 CL 決定。0~20mA 輸出阻性負載一般不會大于 1KΩ,就以最大值 1KΩ計算,那么得到這個電路最靠近低頻的 P2 大致為 1/(2*π*RL*CL) = 3.4Khz。

第二個問題是消除第二個極點帶來相移 -180°的影響。根據 AOL 波特圖曲線與 1/F 波特圖曲線關系的不同,有多種相適應的方法進行穩定性設計,如在 AOL 第二個極點之后產生一個零點,或者使 1/F 在遠小于 AOL 第二個極點頻率處產生一個零點,抬高 1/F,然后再產生一個極點,使之與 AOL 在 -20dB/10 倍頻的斜率處相交,等等。這里因為已知 P2 很小,推薦使用在 1/F 曲線上直接產生一個極點,使其與 AOL 曲線相交時,差值為 -40dB/10-(-20dB/10),這樣仍然是 -20dB/10 倍頻的速度。先算出 1/F 的表達式,如下:

那么產生極點的方法為在 R4 上并聯一個電容。

 
圖 4 穩定性設計原理圖

并聯電容 C1 后,1/F 的極點頻率公式為:

1/F 的極點原則上在 AOL 的極點 P2 到 10 倍的 P2 之間,因為 R4=100KΩ,AOL 的極點 P2 為 3.4Khz,這樣算出來 C1 的范圍大致在 47pF~470pF 之間。

3 運放穩定性仿真評估
很多的電子電路,其實并不嚴格需要仿真來模擬,因為理論計算或者經驗已經把性能摸得很透。但是振蕩的特性是不確定的,就如穩定的狀態只有一種,但是不穩定的狀態可能有千萬種。仿真模擬就是解決這種不確定性的有效方法,同時,在穩定性分析方面,仿真模擬還有以下優勢。

Ø為理論分析把關
經過理論分析,設計者應當有一種猜想,就是大概到什么頻段,如果沒有導入穩定性設計,則系統會振蕩。仿真模擬通過反推的方式來證明理論分析的正確性。如本電壓轉電流的電路,如果第二極點頻率為 3.4Khz,則從 3.4Khz 到 34Khz 及以上,相移會逐步增大直到 -180°,引起振蕩。而實際上,在一定條件下本電路確實在低于 34Khz 時就有振蕩產生。

 
圖 5 振蕩仿真波形圖

Ø為關鍵器件選型提供依據
理論分析中,雖然采用模型化、參數化的方式解釋了一些普遍的道理,但實際真的就與理論嚴絲合縫嗎,恐怕不見得。理論分析中,為了簡化起見,常常先抓主要模型,主要參數,有一些參數因此被忽略。如本例中,運算放大器 AOL 和反饋系數倒數 1/F 的實際曲線放在了次要位置,而三極管的β、Vbe(on)參數也簡化而被忽略。

而最終,我們總要從種類繁多的運放和三極管中選出一個型號來為產品所用,去研究數據手冊誠然不錯,但抱歉的是,這些參數對穩定性分析到底會帶來多大誤差,還是未知數。仿真就是在這些產品中加了一把篩子,只有不被穩定性指標漏下去的才是可選項。

Ø為改善方案選擇最優化參數
提出仿真評估的必要性,另一目的是為理論難以分析或者過于復雜的地方做必要的補充。運放穩定性的仿真與一般信號傳輸的仿真還是有些不同,它不能僅是把 spice 模型調出來而已,而應當要考慮到一些 PCB 板級的因素,比如要考慮分布參數的影響。運放輸入輸出引腳上的分布阻抗、分布電容可能會產生額外的零、極點,電纜長度的不同,造成附加負載電容的變化,也會影響第二極點的位置。實例中,經過仿真,在考慮運放引腳分布電容直到 20pF,輸出負載電容增加到 1uF,運放選用 LM224,三極管選用 2SC3613,在 C1=100pF 的情況下,系統能夠穩定的工作。

4 運放穩定性測試驗證
實際的產品,還包含了元器件質量因素、不同廠家因素、生產因素、與其他產品接口等各環節,通過實測來蓋棺定論,這對任何參數都是公平的。實測的另外一個優勢是可以采取多種組合測試,加嚴測試條件。如本例中除了在常溫下測試,還可以在高、低溫下,加大容性負載條件下,在滿負載或者用戶端短路的情況下測量是否還有振蕩的情況發生,而驗證設計裕量的充足性。值得注意的是,涉及到穩定性,即使是直流模擬量領域,測試工具也不僅限于萬用表,而更應當用示波器去看看信號的實際波形。

振蕩的消除與否,應當總能夠通過某項或某幾項指標表現出來,而對使用者提供更差或者更好的性能。直流精密領域,用戶通常會對精度、線性度等性能指標非常較真,而供應商提供產品時,其大都基于大量的測試數據和結合理論計算,一個產品才能把他的參數指標公布與眾。如下表實測數據所示,進行穩定性設計之前和之后,能使模擬量精度、線性度的指標提高 4~5 倍。

 
圖 6 C1 開路及 C1=100pF 電流測試數據

5 結語
已經知道,即使在負反饋電路中,當 AOL*F = -1 時,電路也會不穩定,這是因理論而獲得的。如果現實世界中,AOL*F 永遠不等于 -1,則根本不需要穩定性分析。

問題是,我們的現實環境不是如此。首先,運放 AOL 波特圖本身表現為一階低通濾波器的特性,并且由于運放輸出阻抗的存在,而負載又有容性,或者系統總是存在分布電容,導致 AOL 有附加的第二個極點。而我們的輸入信號永遠存在著噪聲和干擾,不管是直流還是交流應用,這些干擾都在需要的的信號上疊加。當噪聲和干擾頻率高于 AOL 的第二個極點時,意味著相移能達到 -180°,意味著 AOL*F 有可能等于 -1,這樣不穩定就產生了。

本文依據一個實際電路,提出理論分析、仿真評估相互印證而又相互補充的方法來進行穩定性設計,最后用測試手段來完成驗證的一種思路。這種思路提醒設計者對穩定性保持敏感,使設計提前導入穩定性的預防措施,有效管控設計風險,提供產品更佳的性能。
 

產品搜索
聯系我們
免費熱線:400-889-8821
總機號碼:86-20-8420-6763
銷售號碼:86-18002228813
郵箱地址:sale@aipu-elec.com
網站地址:www.jxtyxj.com
公司地址:廣州市黃埔區埔南路63號四號樓302房
小柒直播ios-小柒直播app下载ios-小柒直播官方版