10.6 TI 高精度实验室 - 运算放大器：稳定性分析 6

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程是关于运放稳定性的第六部分

这个课程会讲述

双反馈 Riso 稳定性补偿方法

Riso with dual feedback stability

compensation method

在前面的视频中我们讨论了

第一种使用隔离电阻 isolation resistor

来补偿容性负载的方法

虽然 Riso 电路设计和使用都较简单

但它在精密电路里有一大缺点

Riso 上的压降与输出电流或输出负载有关

并且 Riso 造成的压降

可能影响输出信号的准确度

如右图所示

对于一个 10mV 的输出信号

由于 250Ω 的输出负载

而产生超过 3mV 的压降

也就是会带来 30% 的误差

为了解決 Riso 产生压降的问题

我们可以使用这里所展示的

Riso+双反馈的电路

Riso+双反馈的工作原理

可以用 DC 和 AC 等效电路来分析

在 DC 时

反馈电容 Cf 是开路的

并且 Rf 闭合了包含 Riso 的反馈环路

因为现在 Riso 是

在运放的反馈环路里面的

运放输出会增大来补偿 Riso 的压降

所以负载电压 Vload 会等于 Vin

在 AC 频率时 Cf 是短路的

当这个发生时

Rf 可以被认为是开路的

因为 Cf 的阻抗 Zcf

会远远小于 Rf 的阻抗

因此在 AC 时

这个电路看起来

会和标准的 Riso 电路一样

这个电路的第一个设计步骤

是选择 Riso

是选择 Riso

选择方法与我们之前所说的方法 1

Riso 中选择 Riso 的方法相同

使得 Aol 曲线上

等于 20dB 的频率点上产生一个零点

然后 Rf 可以选择为

任意一个大于 100*Riso 的值

以防止其与 Riso 相互作用

最后一步是在图片左下方所示的

范围内选择 Cf 的值

使用这个范围内的值

可以保证两个反馈路径 Rf 和 Cf

永远不会产生谐振而导致不稳定

更小的 Cf 值

会有更快的建立时间 settling time

但以一定负载范围内的过冲为代价

从结果可见

运放输出和负载电压到达稳定值

而没有过大的过冲与振铃

说明这是一个稳定的系统

为克服 Riso 压降而增大的 Vo

在这里也可以清楚地看到

当 Riso+双反馈电路

解决 Riso 电路 DC 精度问题的同时

它也带来一些缺点

如这里所示

一个 Riso 电路

在合理的大范围容性负载的

瞬态响应变化下通常会保持稳定

Riso+双反馈电路

对输出电容的变化容忍度没有那么大

电路易受到容性负载的变化

而变得不稳定

因此 Riso+双反馈电路

适用于输出电容确定

并且不会显著变化的场合

Riso+双反馈方法

通常会导致建立时间比 Riso 电路更慢

稳定性第三部分课程

展示了在多种常见的运放电路上

如何进行开环分析

然而这些电路都是只有一条反馈路径的

如果我们想在多反馈电路上

进行开环分析仿真

像 Riso+双反馈补偿电路那样

我们需要一个不同的方法

我们将会在这里进行讨论

断开任意一条反馈路径

另一条路径都会是闭回路的

维持电路闭回路的特性

如果 FB1 断开

FB2 作为闭环反馈路径保持闭合

如果 FB2 断开

FB1 作为闭环反馈路径保持闭合

这个电路不会正确反映开环线路

除非两条反馈环路都断开

在输出端直接断开环路将会去除

输出与两条反馈环路之间的连接

而形成一个开环电路

然而在这个位置断开环路

也从运放输出端断开了

输出负载电容 CL

因此 CL 将不会

与开环输出阻抗 Ro 相互作用

这样一来就无法仿真出

之前视频讨论到的容性负载

可能造成的不稳定问题

对于这个电路和其他类似的

多反馈环路电路的稳定性分析

推荐方法是在运放的反相输入端

直接断开环路

在这个位置断开环路

也断开了两条反馈环路

但是现在运放的输出阻抗

可以与输入负载以及反馈网络相互作用

然而通过在输入端断开环路

运放固有的输入电容

不能再与反馈网络相互作用

因此在电感的另一端

要求放置一个

代表运放输入电容的 CIN

以匹配运放的输入电容

差分和共模输入电容

通常会在运放的手册中给出

这个信息可用于设计一个

运放输入电容的简单模型

如图所示

在这个电路中

同相输入端接地

所以正共模电容被短路

负共模电容与差分输入电容

并联在一起

两个电容并联和是 8pF

可以加在图中电路的电感上方

由于是在输入端断开环路

我们需要不同的公式来获得开环结果

生成所需曲线的公式如下所示：

Aol_loaded = Vo

1/β = Vo/Vfb

Aol*β = Vfb

决定闭合速率和测量相位裕度的

步骤和之前课程展示的一样

综上所述

本视频讲述了用于稳定性补偿的

Riso+双反馈方法

并展示了它比 Riso 方法

在 DC 精度上的优势

也展示了一个

在多反馈电路上

进行开环仿真分析的新方法

Riso 和 Riso+双反馈补偿方法

都是有效的

除了这两种方法

另外还有很多

其他办法可以用于补偿稳定性的问题

在未来的课程中

我们会详细地介绍更多

更适合特定应用的补偿方法

本课程到此为止

非常感谢您的时间

请尝试完成后面的小测试

看看您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

本次课程是关于运放稳定性的第六部分

这个课程会讲述

双反馈 Riso 稳定性补偿方法

Riso with dual feedback stability

compensation method

在前面的视频中我们讨论了

第一种使用隔离电阻 isolation resistor

来补偿容性负载的方法

虽然 Riso 电路设计和使用都较简单

但它在精密电路里有一大缺点

Riso 上的压降与输出电流或输出负载有关

并且 Riso 造成的压降

可能影响输出信号的准确度

如右图所示

对于一个 10mV 的输出信号

由于 250Ω 的输出负载

而产生超过 3mV 的压降

也就是会带来 30% 的误差

为了解決 Riso 产生压降的问题

我们可以使用这里所展示的

Riso+双反馈的电路

Riso+双反馈的工作原理

可以用 DC 和 AC 等效电路来分析

在 DC 时

反馈电容 Cf 是开路的

并且 Rf 闭合了包含 Riso 的反馈环路

因为现在 Riso 是

在运放的反馈环路里面的

运放输出会增大来补偿 Riso 的压降

所以负载电压 Vload 会等于 Vin

在 AC 频率时 Cf 是短路的

当这个发生时

Rf 可以被认为是开路的

因为 Cf 的阻抗 Zcf

会远远小于 Rf 的阻抗

因此在 AC 时

这个电路看起来

会和标准的 Riso 电路一样

这个电路的第一个设计步骤

是选择 Riso

是选择 Riso

选择方法与我们之前所说的方法 1

Riso 中选择 Riso 的方法相同

使得 Aol 曲线上

等于 20dB 的频率点上产生一个零点

然后 Rf 可以选择为

任意一个大于 100*Riso 的值

以防止其与 Riso 相互作用

最后一步是在图片左下方所示的

范围内选择 Cf 的值

使用这个范围内的值

可以保证两个反馈路径 Rf 和 Cf

永远不会产生谐振而导致不稳定

更小的 Cf 值

会有更快的建立时间 settling time

但以一定负载范围内的过冲为代价

从结果可见

运放输出和负载电压到达稳定值

而没有过大的过冲与振铃

说明这是一个稳定的系统

为克服 Riso 压降而增大的 Vo

在这里也可以清楚地看到

当 Riso+双反馈电路

解决 Riso 电路 DC 精度问题的同时

它也带来一些缺点

如这里所示

一个 Riso 电路

在合理的大范围容性负载的

瞬态响应变化下通常会保持稳定

Riso+双反馈电路

对输出电容的变化容忍度没有那么大

电路易受到容性负载的变化

而变得不稳定

因此 Riso+双反馈电路

适用于输出电容确定

并且不会显著变化的场合

Riso+双反馈方法

通常会导致建立时间比 Riso 电路更慢

稳定性第三部分课程

展示了在多种常见的运放电路上

如何进行开环分析

然而这些电路都是只有一条反馈路径的

如果我们想在多反馈电路上

进行开环分析仿真

像 Riso+双反馈补偿电路那样

我们需要一个不同的方法

我们将会在这里进行讨论

断开任意一条反馈路径

另一条路径都会是闭回路的

维持电路闭回路的特性

如果 FB1 断开

FB2 作为闭环反馈路径保持闭合

如果 FB2 断开

FB1 作为闭环反馈路径保持闭合

这个电路不会正确反映开环线路

除非两条反馈环路都断开

在输出端直接断开环路将会去除

输出与两条反馈环路之间的连接

而形成一个开环电路

然而在这个位置断开环路

也从运放输出端断开了

输出负载电容 CL

因此 CL 将不会

与开环输出阻抗 Ro 相互作用

这样一来就无法仿真出

之前视频讨论到的容性负载

可能造成的不稳定问题

对于这个电路和其他类似的

多反馈环路电路的稳定性分析

推荐方法是在运放的反相输入端

直接断开环路

在这个位置断开环路

也断开了两条反馈环路

但是现在运放的输出阻抗

可以与输入负载以及反馈网络相互作用

然而通过在输入端断开环路

运放固有的输入电容

不能再与反馈网络相互作用

因此在电感的另一端

要求放置一个

代表运放输入电容的 CIN

以匹配运放的输入电容

差分和共模输入电容

通常会在运放的手册中给出

这个信息可用于设计一个

运放输入电容的简单模型

如图所示

在这个电路中

同相输入端接地

所以正共模电容被短路

负共模电容与差分输入电容

并联在一起

两个电容并联和是 8pF

可以加在图中电路的电感上方

由于是在输入端断开环路

我们需要不同的公式来获得开环结果

生成所需曲线的公式如下所示：

Aol_loaded = Vo

1/β = Vo/Vfb

Aol*β = Vfb

决定闭合速率和测量相位裕度的

步骤和之前课程展示的一样

综上所述

本视频讲述了用于稳定性补偿的

Riso+双反馈方法

并展示了它比 Riso 方法

在 DC 精度上的优势

也展示了一个

在多反馈电路上

进行开环仿真分析的新方法

Riso 和 Riso+双反馈补偿方法

都是有效的

除了这两种方法

另外还有很多

其他办法可以用于补偿稳定性的问题

在未来的课程中

我们会详细地介绍更多

更适合特定应用的补偿方法

本课程到此为止

非常感谢您的时间

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看看您是否已掌握本次学习的内容