10.4 TI 高精度实验室 - 运算放大器：稳定性分析 4

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程是运放稳定性分析的第 4 部分

之前的课程中

我们集中在使用 SPICE 工具

理解和测量相位裕量和闭合速率上

本此课程会介绍

如何采用一种间接相位裕量测量的方法

在 SPICE 和实际电路中

进行时域和交流频域的测量

虽然我们在先前课程中

讨论了如何在 SPICE 中

测量相位裕量和闭合速率

然而对于实际的电路

却很难在实验室中进行开环测试

幸运的是

有两种对电路间接测量相位裕量的方法

第一种是测试阶跃响应

或者方波响应输出信号的过冲百分比

这样的测试

可以通过信号发生器与示波器完成

第二种是测试增益曲线的峰值

这个测试同样需要使用示波器

但还需要一个增益/相位分析仪

和 SPICE 仿真所得结果一样

过冲百分比的幅度

交流响应增益曲线的峰值

和电路的相位裕量是互相关联的

相位裕量小的电路

与输入的阶跃信号相比

输出会出现欠阻尼过冲输出

相位裕量小的电路

在交流响应中有很明显的增益峰值

在间接测量相位裕量前

电路需要简单地修正

首先间接相位裕量测量

需要在运放输出端测量

不能在任何输出滤波器之后

然而需要保证所有的负载

都连接在运放输出端

看其对稳定性的影响

输入滤波电路必须去掉

以保证输入的阶跃信号

或者交流扫描信号

是直接加在运放的同相端

在 SPICE 中

只需断开输入滤波器

将输入信号接到同相端即可

在实际测量时

也只需要在 PCB 上移除滤波电路

然后将信号直接接在同相输入端

这里将介绍如何在 SPICE 中

仿真过冲百分比和交流幅频响应的峰值

我们也可以在实际测试中

使用同样的基本原理

在仿真时

首先要将输入信号源设置为单位阶跃

选择输入振幅使得输出信号

只变化 10 到 20mV

如果运放的输出是驱动一个容性负载

则大于 10 到 20mV 的信号

会形成大信号响应

而掩盖小信号稳定性问题

因此通过电路的增益

来计算输入信号的幅度

使得输出只变化 10 到 20mV

在阶跃开始前加一个小延时

使得整个过程能够被观察到

点击 OK 保存输入信号配置

输入信号正确设置之后

点击 Analysis 菜单

选择瞬态响应

设置开始与结束时间

然后点击 OK 启动仿真

不用任何测试

通过观察阶跃响应是否有过阻尼

临界阻尼或者欠阻尼

就可以直接判断电路是否有稳定性问题

如果需要的话

曲线可以分开看

或者可以删除输入曲线

在测量过冲百分比前

先检查得到的输出阶跃信号的值

将 A 光标放在输出信号的初始值上

B 光标放在输出稳定后的值

看两者在纵轴上的差值

确保输出是正确的幅度

在此电路中

输出信号是 10mV

符合稳定性分析所需的小信号阶跃输出

为得到过冲百分比

将 A 光标放在过冲的峰值上

将 B 光标放在稳定值上

两者的差值为过冲的值

用右边的公式进行计算

在这个电路中

过冲百分比为 22.16%

我们可以用此值来计算相位裕量

图中曲线表示相位裕量

与过冲百分比的关系

它是基于两者间以阻尼因子

表示的数学关系所生成的

在横轴上找到 22.2% 的值

然后画一条与之垂直的直线

与曲线相交对应的纵坐标

即为相位裕量

22.2% 的过冲值对应 46 度的相位裕量

这个值高出我们推荐的 45 度标准值

要进行交流增益峰值仿真

先需要将输入信号源

直接加在运放的同相端上

信号源的直流值

会对电路工作状态产生影响

这也会影响到交流特性

但是阶跃信号或者正弦波输入信号

则不会对这个仿真产生影响

在 Analysis 菜 单 中

选 择 AC Analysis

转到 AC Transfer Characteristic

设置开始与结束的频率信号

点击 OK 开始运行仿真

对于 AC 峰值的测试

在设置输入信号时

需要考虑使得输出信号

在运放的线性范围内

从而在电路运行的频率范围内

进行增益/相位的测试

为得到交流增益峰值

将 A 光标放在增益的峰值处

将 B 光标放置在增益的平坦处

交流增益的峰值正好是二者之差

此电路中值为 2.065dB

相位裕量与增益峰值的关系曲线如图所示

要得到相位裕量

先在横轴找到 2.07dB

然后画一条垂直于横轴的直线

其与曲线的交点

再画一条平行于横轴的线

对应的纵轴读数即为相位裕量

2.07dB 峰值所对应为 46 度相位裕量

与过冲方法得到的结果一致

之前课程中提到的测量相位裕量的方法

是用于直接测量电路的相位裕量

我们可以用它来检验

间接测试方法的准确性

如图所示

之前测量的结果为 46 度

与通过过冲法和交流增益法

得到的结果相同

因而间接测量法

为我们在实验室中测量

或者用 SPICE 仿真

提供了一个很有力的工具

最后本课程讨论了

使用过冲与交流增益峰值法

来间接得到相位裕量的方法

视频主要集中在介绍 SPICE 仿真

但是同样的方法

也可以用于实验室测试

虽然间接方法

可以识别出电路是否有稳定性问题

但不能分析到导致稳定性问题的原因

因而如果用间接法得出

结论为电路具有稳定性问题

推荐用断开环路法

来分析产生问题的根源

是由于输入有容性负载

还是由于反馈环路引起的

谢谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

看看你是否已掌握本次学习的内容

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程是运放稳定性分析的第 4 部分

之前的课程中

我们集中在使用 SPICE 工具

理解和测量相位裕量和闭合速率上

本此课程会介绍

如何采用一种间接相位裕量测量的方法

在 SPICE 和实际电路中

进行时域和交流频域的测量

虽然我们在先前课程中

讨论了如何在 SPICE 中

测量相位裕量和闭合速率

然而对于实际的电路

却很难在实验室中进行开环测试

幸运的是

有两种对电路间接测量相位裕量的方法

第一种是测试阶跃响应

或者方波响应输出信号的过冲百分比

这样的测试

可以通过信号发生器与示波器完成

第二种是测试增益曲线的峰值

这个测试同样需要使用示波器

但还需要一个增益/相位分析仪

和 SPICE 仿真所得结果一样

过冲百分比的幅度

交流响应增益曲线的峰值

和电路的相位裕量是互相关联的

相位裕量小的电路

与输入的阶跃信号相比

输出会出现欠阻尼过冲输出

相位裕量小的电路

在交流响应中有很明显的增益峰值

在间接测量相位裕量前

电路需要简单地修正

首先间接相位裕量测量

需要在运放输出端测量

不能在任何输出滤波器之后

然而需要保证所有的负载

都连接在运放输出端

看其对稳定性的影响

输入滤波电路必须去掉

以保证输入的阶跃信号

或者交流扫描信号

是直接加在运放的同相端

在 SPICE 中

只需断开输入滤波器

将输入信号接到同相端即可

在实际测量时

也只需要在 PCB 上移除滤波电路

然后将信号直接接在同相输入端

这里将介绍如何在 SPICE 中

仿真过冲百分比和交流幅频响应的峰值

我们也可以在实际测试中

使用同样的基本原理

在仿真时

首先要将输入信号源设置为单位阶跃

选择输入振幅使得输出信号

只变化 10 到 20mV

如果运放的输出是驱动一个容性负载

则大于 10 到 20mV 的信号

会形成大信号响应

而掩盖小信号稳定性问题

因此通过电路的增益

来计算输入信号的幅度

使得输出只变化 10 到 20mV

在阶跃开始前加一个小延时

使得整个过程能够被观察到

点击 OK 保存输入信号配置

输入信号正确设置之后

点击 Analysis 菜单

选择瞬态响应

设置开始与结束时间

然后点击 OK 启动仿真

不用任何测试

通过观察阶跃响应是否有过阻尼

临界阻尼或者欠阻尼

就可以直接判断电路是否有稳定性问题

如果需要的话

曲线可以分开看

或者可以删除输入曲线

在测量过冲百分比前

先检查得到的输出阶跃信号的值

将 A 光标放在输出信号的初始值上

B 光标放在输出稳定后的值

看两者在纵轴上的差值

确保输出是正确的幅度

在此电路中

输出信号是 10mV

符合稳定性分析所需的小信号阶跃输出

为得到过冲百分比

将 A 光标放在过冲的峰值上

将 B 光标放在稳定值上

两者的差值为过冲的值

用右边的公式进行计算

在这个电路中

过冲百分比为 22.16%

我们可以用此值来计算相位裕量

图中曲线表示相位裕量

与过冲百分比的关系

它是基于两者间以阻尼因子

表示的数学关系所生成的

在横轴上找到 22.2% 的值

然后画一条与之垂直的直线

与曲线相交对应的纵坐标

即为相位裕量

22.2% 的过冲值对应 46 度的相位裕量

这个值高出我们推荐的 45 度标准值

要进行交流增益峰值仿真

先需要将输入信号源

直接加在运放的同相端上

信号源的直流值

会对电路工作状态产生影响

这也会影响到交流特性

但是阶跃信号或者正弦波输入信号

则不会对这个仿真产生影响

在 Analysis 菜 单 中

选 择 AC Analysis

转到 AC Transfer Characteristic

设置开始与结束的频率信号

点击 OK 开始运行仿真

对于 AC 峰值的测试

在设置输入信号时

需要考虑使得输出信号

在运放的线性范围内

从而在电路运行的频率范围内

进行增益/相位的测试

为得到交流增益峰值

将 A 光标放在增益的峰值处

将 B 光标放置在增益的平坦处

交流增益的峰值正好是二者之差

此电路中值为 2.065dB

相位裕量与增益峰值的关系曲线如图所示

要得到相位裕量

先在横轴找到 2.07dB

然后画一条垂直于横轴的直线

其与曲线的交点

再画一条平行于横轴的线

对应的纵轴读数即为相位裕量

2.07dB 峰值所对应为 46 度相位裕量

与过冲方法得到的结果一致

之前课程中提到的测量相位裕量的方法

是用于直接测量电路的相位裕量

我们可以用它来检验

间接测试方法的准确性

如图所示

之前测量的结果为 46 度

与通过过冲法和交流增益法

得到的结果相同

因而间接测量法

为我们在实验室中测量

或者用 SPICE 仿真

提供了一个很有力的工具

最后本课程讨论了

使用过冲与交流增益峰值法

来间接得到相位裕量的方法

视频主要集中在介绍 SPICE 仿真

但是同样的方法

也可以用于实验室测试

虽然间接方法

可以识别出电路是否有稳定性问题

但不能分析到导致稳定性问题的原因

因而如果用间接法得出

结论为电路具有稳定性问题

推荐用断开环路法

来分析产生问题的根源

是由于输入有容性负载

还是由于反馈环路引起的

谢谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

看看你是否已掌握本次学习的内容