10.3 TI 高精度实验室 - 运算放大器：稳定性分析 3

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

这里是运放稳定性分析的第三部分

我们在之前的视频中

讨论了不稳定性

在实际系统中导致的问题

以及如何在实验室中

识别和通过波特图与稳定性判据理论

本次视频将会解释

如何用开环 SPICE 仿真

来得到放大电路的闭合速率与相位裕量

在开始运放稳定性分析的课程学习之前

我们建议您

先完成运放带宽 1 到 3 系列的课程

是为了获得闭合速率与相位裕量

我们需要 Aol 1/β 以及 Aolβ 曲线

但是这些曲线

无法从一个标准的闭合回路架构中得到

为了获得这几组曲线

电路的反馈回路需要断开

然后用一个小信号在断开处进行激励

然后在运放的反相端得到 Vfb

在输出端得到 Vo

通过这两项我们可以推导得出

我们所需要的曲线

然而单纯的断开反馈回路

是无法得到正确的仿真结果的

没有合适的直流偏置

输出会直接饱和到任意一个电源轨

导致不正确的输出

如图所示

运放输出接近正相电源

得到错误的 Aol 与 Aolβ 曲线

为了在 SPICE 中得到正确的开环曲线

电路必须要对直流建立反馈

但对交流是开路的

在左上角的图中

通过 L1 开关 对直流闭合

C1 开关 对直流断开

直流的闭合使得输出正确的偏置

直流的闭合使得输出正确的偏置

通常是在供电的中心点

左下角的电路是通过 L1 对交流信号开路

C1 对交流信号短路

环路对交流信号是断开的

因而交流 AC 仿真可以得到开环曲线

幸好通过 SPICE 的理想模型这种方法

可以同时满足直流和交流的要求

L1 是 1T 的电感

C1 是 1T 的电容

对于直流信号

L1 为短路而 C1 为开路

提供合适的直流偏置

对于交流信号

L1 为开路而 C1 为短路

从而提供了合适的交流通路

因而此处我们推荐使用

标准的开环 SPICE 电路设置

反馈环路在运放的输出

与反馈网络之间断开

交流信号从反馈网络中注入

在运放的输出端接测量得到 Vo

在反馈点测量得到 Vfb

由于断开了回路

可以得到所需要的曲线

Aol_loaded=Vo/Vfb

1/β=1/Vfb

Aolβ=Vo

很多电路可以运用开环 SPICE 电路仿真

在实际电路中

不知在何处断开环路而感到困惑时

可以用这些例子作为参考

注意为了得到正确的稳定性分析结论

运放输出端所接的负载

必须直接体现在电路中

而不应该放置在电感的另外一端

否则就体现出不同的负载效应

在分析交流响应之前

应该快速地检查一下

直流的静态工作点

点击分析 Analysis

点击直流分析 DC Analysis

计算节点电压

Calculate nodal voltage

Vfb 会显示出输入失调电压 Vos

输出电压 Vo

会显示为 Vos 和闭环增益之积

检查完静态工作点之后

需要在分析的带宽范围内

得到交流传输特性

点击分析 Analysis

转到交流分析 AC Analysis

转到交流传输特性

AC Transfer Characteristic

设置起始与终止频率

然后点击 OK

分析完成后

Vo 与 Vfb 节点会显示出来

要得到所需要的曲线

在结果窗口中点击

Post-Process 按钮

在 line edit 一栏中

编辑公式命名

然后生成曲线

您也可以添加新的曲线 Aolβ

但是由于结果与已经存在的 Vo 相等

因而不是很有必要

值得注意的是

在新函数命名

New function name 框中

开始是不能为数字或者特殊字符的

因而不允许填写诸如 1/β 1β这样的命名

我们推荐使用Beta1 取而代之

这就是未经处理的所有曲线图

下一步会进一步的加以整理

以后方便分析

我们点击 View 转到

Show/Hide curves

选中为 Vo Aol 和 Beta1

然后双击横轴与纵轴

在设置坐标轴窗口

将 X 轴改为对数显示

Ticks 设置为 8

低频为 1Hz

高频十兆赫兹

将 Y 轴设置为 dB

Ticks 为 9

下限是 -40dB 上限 120dB

最后一个步骤是测量相位裕度

首先我们选取 cursor

点击在 Aolβ的振幅曲线上

在游标的 Y 轴写入零

代表我们把游标放置在 fc 截止频率上

接下来可以选取第二个 cursor

测量相位的 Aolβ

或是选取 Legend

即可得到截止频率下

各个曲线显示的振幅和相位

在这个例子里

相位裕度是 Aolβ

在截止频率的相位为 87.7 度

回顾一下

本次培训课程阐述了断开环路

和进行开环交流分析的方法

下一节的视频

会回顾一个运放稳定性判据的间接方法

包括瞬态与交流传递函数的测量与仿真

谢谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

来看看您是否已经掌握了本次学习的内容

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

这里是运放稳定性分析的第三部分

我们在之前的视频中

讨论了不稳定性

在实际系统中导致的问题

以及如何在实验室中

识别和通过波特图与稳定性判据理论

本次视频将会解释

如何用开环 SPICE 仿真

来得到放大电路的闭合速率与相位裕量

在开始运放稳定性分析的课程学习之前

我们建议您

先完成运放带宽 1 到 3 系列的课程

是为了获得闭合速率与相位裕量

我们需要 Aol 1/β 以及 Aolβ 曲线

但是这些曲线

无法从一个标准的闭合回路架构中得到

为了获得这几组曲线

电路的反馈回路需要断开

然后用一个小信号在断开处进行激励

然后在运放的反相端得到 Vfb

在输出端得到 Vo

通过这两项我们可以推导得出

我们所需要的曲线

然而单纯的断开反馈回路

是无法得到正确的仿真结果的

没有合适的直流偏置

输出会直接饱和到任意一个电源轨

导致不正确的输出

如图所示

运放输出接近正相电源

得到错误的 Aol 与 Aolβ 曲线

为了在 SPICE 中得到正确的开环曲线

电路必须要对直流建立反馈

但对交流是开路的

在左上角的图中

通过 L1 开关 对直流闭合

C1 开关 对直流断开

直流的闭合使得输出正确的偏置

直流的闭合使得输出正确的偏置

通常是在供电的中心点

左下角的电路是通过 L1 对交流信号开路

C1 对交流信号短路

环路对交流信号是断开的

因而交流 AC 仿真可以得到开环曲线

幸好通过 SPICE 的理想模型这种方法

可以同时满足直流和交流的要求

L1 是 1T 的电感

C1 是 1T 的电容

对于直流信号

L1 为短路而 C1 为开路

提供合适的直流偏置

对于交流信号

L1 为开路而 C1 为短路

从而提供了合适的交流通路

因而此处我们推荐使用

标准的开环 SPICE 电路设置

反馈环路在运放的输出

与反馈网络之间断开

交流信号从反馈网络中注入

在运放的输出端接测量得到 Vo

在反馈点测量得到 Vfb

由于断开了回路

可以得到所需要的曲线

Aol_loaded=Vo/Vfb

1/β=1/Vfb

Aolβ=Vo

很多电路可以运用开环 SPICE 电路仿真

在实际电路中

不知在何处断开环路而感到困惑时

可以用这些例子作为参考

注意为了得到正确的稳定性分析结论

运放输出端所接的负载

必须直接体现在电路中

而不应该放置在电感的另外一端

否则就体现出不同的负载效应

在分析交流响应之前

应该快速地检查一下

直流的静态工作点

点击分析 Analysis

点击直流分析 DC Analysis

计算节点电压

Calculate nodal voltage

Vfb 会显示出输入失调电压 Vos

输出电压 Vo

会显示为 Vos 和闭环增益之积

检查完静态工作点之后

需要在分析的带宽范围内

得到交流传输特性

点击分析 Analysis

转到交流分析 AC Analysis

转到交流传输特性

AC Transfer Characteristic

设置起始与终止频率

然后点击 OK

分析完成后

Vo 与 Vfb 节点会显示出来

要得到所需要的曲线

在结果窗口中点击

Post-Process 按钮

在 line edit 一栏中

编辑公式命名

然后生成曲线

您也可以添加新的曲线 Aolβ

但是由于结果与已经存在的 Vo 相等

因而不是很有必要

值得注意的是

在新函数命名

New function name 框中

开始是不能为数字或者特殊字符的

因而不允许填写诸如 1/β 1β这样的命名

我们推荐使用Beta1 取而代之

这就是未经处理的所有曲线图

下一步会进一步的加以整理

以后方便分析

我们点击 View 转到

Show/Hide curves

选中为 Vo Aol 和 Beta1

然后双击横轴与纵轴

在设置坐标轴窗口

将 X 轴改为对数显示

Ticks 设置为 8

低频为 1Hz

高频十兆赫兹

将 Y 轴设置为 dB

Ticks 为 9

下限是 -40dB 上限 120dB

最后一个步骤是测量相位裕度

首先我们选取 cursor

点击在 Aolβ的振幅曲线上

在游标的 Y 轴写入零

代表我们把游标放置在 fc 截止频率上

接下来可以选取第二个 cursor

测量相位的 Aolβ

或是选取 Legend

即可得到截止频率下

各个曲线显示的振幅和相位

在这个例子里

相位裕度是 Aolβ

在截止频率的相位为 87.7 度

回顾一下

本次培训课程阐述了断开环路

和进行开环交流分析的方法

下一节的视频

会回顾一个运放稳定性判据的间接方法

包括瞬态与交流传递函数的测量与仿真

谢谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

来看看您是否已经掌握了本次学习的内容