10.1 TI 高精度实验室 - 运算放大器：稳定性分析 1

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室的第一部分

运放稳定性分析

在本视频当中

我们将会讨论运放稳定性问题产生的原因

以及如何使用常见仪器

来识别稳定性的问题

在本系列的视频当中

将会讨论到波特图 Bode plot

基本的稳定性理论

以及如何在 SPICE 当中

进行稳定性仿真

在这个视频中

我们会讨论到各种补偿技术

而且会进行细节的分析

在开始运放稳定性分析的课程学习之前

建议先完成

运放带宽 1 到 3 系列的课程

因为其中涉及到

本课程需要用到的一些基本概念

在这里举例说明

在量产之前没有评估

电路稳定性将会发生什么问题

一个不稳定的运放电路

将会得到失真的瞬态响应

输出波形不是预期的结果

当输入或者负载变化时

这就会引起输出较大的过冲和失调

甚至导致持续的振荡波形

通常稳定性问题产生

源于在运放输出

或者反相输入端连接了电容

此分压缓冲电路

用于将 2.5 伏直流作为参考电压输出

但是不稳定的设计

使得直流参考信号变成了一个正弦波

虽然此电路原本工作于直流输入和输出

但在输入电源输出的一个扰动

都会使运放电路产生振荡

因此不论电路工作的频率如何

我们都推荐对电路进行稳定性分析

运放输出信号

与反馈信号之间的延迟过大

是一种直观的方式来看待振荡问题

通过观察运放输出的信号

Vopa 和反相端的输入信号 Vfb

可以直观的看出反馈延迟带来的后果

当提供一个阶跃信号给输入端 Vin

Vin 改变时基于 Virtual short 虚短理论

Vopa 会使 Vfb 与 Vin 相等

然而反馈产生的延时

使得 Vopa 端得到一个错误的电压

结果 Vfb 持续向上升

输入的电压向上增加

导致 Vopa 也向相反的方相增长

依据延迟的程度

输出会建立起持续的振荡

虽然反馈环节上带有 RC 延时元件

看起来奇怪 并且不切实际

实际上很多标准的运算放大电路

由于运放的不理想性

再加上外围元件的影响

会产生同样的情况

例如运放的开环输出阻抗Ro

与电路的容性负载 Cload

作用形成了延迟电路

另一个延时环节是由反馈电阻

Feedback resistance Rf

与运放的并联输入电容 input capacitors

Cin 和实际 pcb 布局的寄生电容产生作用

形成延迟电路

由任何一个原因导致的延迟

如果不采取必要的措施

都可能导致稳定性的问题

以下是常见的有稳定性问题的电路

这些电路的共同点

都是输出到反馈端

形成了不需要的延时

根据对运放环路造成的问题

这些延时可以分为两种

第一种在运放输出端有容性负载

或者因寄生电容的负载

影响运放的开环增益

这种类型的电路

包括参考电压缓冲电路

线缆驱动电路

MOSFET 栅极驱动电路等等

第二种在输入端

通过运放输入电容

和大反馈电阻的作用

影响反馈网络

这种类型的电路包括跨阻放大器

低功耗电路

在输入端引入瞬态抑制元件的电路等等

如图所示的电路

为两种容易重现振荡的例子

尝试在反相端接滤波

或者直接在输入端节点加电容

会直接导致稳定性问题

这种设计经常会表现得像一个振荡器

而不是它们原先应有的功能

如果见到这两种电路

在量产之前

确保它们经过稳定性分析

并且没有问题

虽然解决稳定性问题需要实践和经验

但在实验室中

我们可以直接的观察到它们

能输出阶跃的信号发生器

和示波器是必备的

输入阶跃信号可由系统中的 DAC 产生

或者来自外部的信号发生器

如果条件允许

频谱分析仪和网络分析仪

也可以用于稳定性分析

这里展示了通过示波器

看到的不稳定电路的输出信号

一个处理直流信号的电流

用示波器观察时看似稳定

但一旦环路中输出了一个小的阶跃

或者方波信号

不稳定的输出会反复反馈到输入信号

直到输出建立稳定的振荡

过冲的幅度和持续性

与输出振荡信号有关

有较小稳定问题的电路

会输出少量的振荡和过冲

更严重的稳定性问题

会导致过冲与输入信号相当

会导致过冲与输入信号相当

或者比输入信号更大

从而出现如图例所示的

显著的振荡现象

最严重的稳定性问题

会导致尽管没有输入信号

仍然会输出持续的振荡信号

电路的不稳定输出

不一定表现为我们所期望的正弦波

有可能会输出一些看似很奇怪的信号

虽然在这里没有显示出来

不稳定的直流输出

或者出乎意料的失真

也会是稳定性问题的一种表现

除了示波器之外

由于频谱分析仪可用于测量信号

和幅频特性

我们也可以用它来诊断不稳定性问题

图示将电路仿真的幅频相频响应结果

与实际电路的测试结果进行对比

增益的峰值相移的剧烈变化

或者出乎意料的增益

都是不稳定性问题的标志

当尝试测量一个不稳定电路的幅频

或者相移时

常见的测量响应

是跳动或是不清楚的

且在全频率范围内难以测量

这些微小的信号同样是不稳定的标志

这一系列课程

旨在理解运放稳定性补偿技术

如何针对既定的应用选定补偿的方案

以及在设计电路中如何优化参数值

以及在设计电路中如何优化参数值

如图所示

电压缓冲电路可以通过多种方法来进行补偿

根据不同的应用而定

如下面举的两个例子

第一种补偿技术

使用了一个隔离电阻 Riso

由于在 Riso 上有压降

因而是通过牺牲直流的

精确度来实现的补偿

第二种技术在反馈回路中引入 Riso

它不会在 Riso 上

造成压降的问题

但是牺牲了电路的建立时间

我们会先温习必要的理论

以理解仿真和反馈网络等等

然后介绍更多的补偿方法

总结一下

本视频旨在讨论运放的稳定性问题

具有稳定性问题的常见电路

以及如何在实验室中识别稳定性问题

在接下来的视频中

我们会涉及到波特图

基本的稳定性理论

在 SPICE 中仿真运行稳定性电路

以及常用的补偿技术

谢谢您的观看

在每节视频后

请尝试一下我们的测试

以检验您的学习效果

谢谢

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室的第一部分

运放稳定性分析

在本视频当中

我们将会讨论运放稳定性问题产生的原因

以及如何使用常见仪器

来识别稳定性的问题

在本系列的视频当中

将会讨论到波特图 Bode plot

基本的稳定性理论

以及如何在 SPICE 当中

进行稳定性仿真

在这个视频中

我们会讨论到各种补偿技术

而且会进行细节的分析

在开始运放稳定性分析的课程学习之前

建议先完成

运放带宽 1 到 3 系列的课程

因为其中涉及到

本课程需要用到的一些基本概念

在这里举例说明

在量产之前没有评估

电路稳定性将会发生什么问题

一个不稳定的运放电路

将会得到失真的瞬态响应

输出波形不是预期的结果

当输入或者负载变化时

这就会引起输出较大的过冲和失调

甚至导致持续的振荡波形

通常稳定性问题产生

源于在运放输出

或者反相输入端连接了电容

此分压缓冲电路

用于将 2.5 伏直流作为参考电压输出

但是不稳定的设计

使得直流参考信号变成了一个正弦波

虽然此电路原本工作于直流输入和输出

但在输入电源输出的一个扰动

都会使运放电路产生振荡

因此不论电路工作的频率如何

我们都推荐对电路进行稳定性分析

运放输出信号

与反馈信号之间的延迟过大

是一种直观的方式来看待振荡问题

通过观察运放输出的信号

Vopa 和反相端的输入信号 Vfb

可以直观的看出反馈延迟带来的后果

当提供一个阶跃信号给输入端 Vin

Vin 改变时基于 Virtual short 虚短理论

Vopa 会使 Vfb 与 Vin 相等

然而反馈产生的延时

使得 Vopa 端得到一个错误的电压

结果 Vfb 持续向上升

输入的电压向上增加

导致 Vopa 也向相反的方相增长

依据延迟的程度

输出会建立起持续的振荡

虽然反馈环节上带有 RC 延时元件

看起来奇怪 并且不切实际

实际上很多标准的运算放大电路

由于运放的不理想性

再加上外围元件的影响

会产生同样的情况

例如运放的开环输出阻抗Ro

与电路的容性负载 Cload

作用形成了延迟电路

另一个延时环节是由反馈电阻

Feedback resistance Rf

与运放的并联输入电容 input capacitors

Cin 和实际 pcb 布局的寄生电容产生作用

形成延迟电路

由任何一个原因导致的延迟

如果不采取必要的措施

都可能导致稳定性的问题

以下是常见的有稳定性问题的电路

这些电路的共同点

都是输出到反馈端

形成了不需要的延时

根据对运放环路造成的问题

这些延时可以分为两种

第一种在运放输出端有容性负载

或者因寄生电容的负载

影响运放的开环增益

这种类型的电路

包括参考电压缓冲电路

线缆驱动电路

MOSFET 栅极驱动电路等等

第二种在输入端

通过运放输入电容

和大反馈电阻的作用

影响反馈网络

这种类型的电路包括跨阻放大器

低功耗电路

在输入端引入瞬态抑制元件的电路等等

如图所示的电路

为两种容易重现振荡的例子

尝试在反相端接滤波

或者直接在输入端节点加电容

会直接导致稳定性问题

这种设计经常会表现得像一个振荡器

而不是它们原先应有的功能

如果见到这两种电路

在量产之前

确保它们经过稳定性分析

并且没有问题

虽然解决稳定性问题需要实践和经验

但在实验室中

我们可以直接的观察到它们

能输出阶跃的信号发生器

和示波器是必备的

输入阶跃信号可由系统中的 DAC 产生

或者来自外部的信号发生器

如果条件允许

频谱分析仪和网络分析仪

也可以用于稳定性分析

这里展示了通过示波器

看到的不稳定电路的输出信号

一个处理直流信号的电流

用示波器观察时看似稳定

但一旦环路中输出了一个小的阶跃

或者方波信号

不稳定的输出会反复反馈到输入信号

直到输出建立稳定的振荡

过冲的幅度和持续性

与输出振荡信号有关

有较小稳定问题的电路

会输出少量的振荡和过冲

更严重的稳定性问题

会导致过冲与输入信号相当

会导致过冲与输入信号相当

或者比输入信号更大

从而出现如图例所示的

显著的振荡现象

最严重的稳定性问题

会导致尽管没有输入信号

仍然会输出持续的振荡信号

电路的不稳定输出

不一定表现为我们所期望的正弦波

有可能会输出一些看似很奇怪的信号

虽然在这里没有显示出来

不稳定的直流输出

或者出乎意料的失真

也会是稳定性问题的一种表现

除了示波器之外

由于频谱分析仪可用于测量信号

和幅频特性

我们也可以用它来诊断不稳定性问题

图示将电路仿真的幅频相频响应结果

与实际电路的测试结果进行对比

增益的峰值相移的剧烈变化

或者出乎意料的增益

都是不稳定性问题的标志

当尝试测量一个不稳定电路的幅频

或者相移时

常见的测量响应

是跳动或是不清楚的

且在全频率范围内难以测量

这些微小的信号同样是不稳定的标志

这一系列课程

旨在理解运放稳定性补偿技术

如何针对既定的应用选定补偿的方案

以及在设计电路中如何优化参数值

以及在设计电路中如何优化参数值

如图所示

电压缓冲电路可以通过多种方法来进行补偿

根据不同的应用而定

如下面举的两个例子

第一种补偿技术

使用了一个隔离电阻 Riso

由于在 Riso 上有压降

因而是通过牺牲直流的

精确度来实现的补偿

第二种技术在反馈回路中引入 Riso

它不会在 Riso 上

造成压降的问题

但是牺牲了电路的建立时间

我们会先温习必要的理论

以理解仿真和反馈网络等等

然后介绍更多的补偿方法

总结一下

本视频旨在讨论运放的稳定性问题

具有稳定性问题的常见电路

以及如何在实验室中识别稳定性问题

在接下来的视频中

我们会涉及到波特图

基本的稳定性理论

在 SPICE 中仿真运行稳定性电路

以及常用的补偿技术

谢谢您的观看

在每节视频后

请尝试一下我们的测试

以检验您的学习效果

谢谢