10.7 TI 高精度实验室 - 运算放大器：稳定性 - 实验

您好！

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室的运放稳定性环节

在这个实验中会包括计算

SPICE 仿真和实际测试

这些环节将帮助大家对视频中的概念加深理解

本实验的计算部分可以使用手动完成

如果使用 MathCAD

或者 Excel 这样的工具会更好

仿真环节可以使用任何的 SPICE 仿真器

因为在本实验中提供的

是德州仪器所提供的通用的运放的 SPICE 模型

用 TINA-TI 来实施这些仿真是最方便的

TINA 是免费的 SPICE 仿真器

可以从 TI 的网站上下载

TINA 的仿真原理图会附在 PPT 中

最后真实的测试会使用 TI 提供的 PCB 板

如果您有标准的实验设备

可以用示波器 波形发生器 波特仪

和正负 15 伏的电源来进行测试

我们推荐使用国家仪器的虚拟仪器

这套虚拟仪器是一套多功能的集成设备

可以通过 USB 或者 wifi 与电脑连接

这台仪器提供电源 信号发生器

示波器和五位半的万用表

以方便进行精确的测试

本实验应搭配使用虚拟仪器

而优化电路的量测

在实验一中

我们会决定带大电容负载的

缓冲电路的相位裕度和稳定性

我们也会通过观察瞬态的过冲

和 AC 传输特性来确定稳定性

首先使用稳定性章节中的公式和方法

来计算这里所示电路的相位裕度和过冲量

图形会在下一页给出

这个电路使用 OPA277

为了计算过冲及相位裕度

您必须知道这元件见过冲程度

和容性负载的关系

如左上图所示

再使用右图来确定相位裕度和过冲的关系

您可以在 PPT 下面的表格中输入您的答案

这个可以用来检验你的结果

下一步是进行 SPICE 的暂态过冲仿真

TINA 的仿真电路图附在 PPT 中

双击图标即可打开

仿真的步骤如下

点击 Analysis

然后 Transient

仿真时间从 100 微秒到 250 个微秒

输入信号是 20mV 的 Peak 10kHz 的方波

您可以通过仿真得到和上图相似的结果

仿真得到的 40% 的过冲

可以换算成 31 度的相位裕度

接下来进行 AC 传递函数的 SPICE 仿真分析

这可以让我观察运放的 AC 起翘也就是 Peaking

这是表征相位裕度的另一个指标

使用和之前一样的 TINA 的原理图

点击 Analysis 打开 AC Analysis

打开 AC Transfer Characteristic 来进行仿真

仿真的频率从 10k 赫兹到 10 兆赫兹

您可以看到一个相似的仿真结果

仿真得到的 6.7dB 的AC 起翘

得到 27 度的相位裕度

在测试电路之前

请先确定直流电源是关闭的

在虚拟仪器的软件中

点击电源按钮来关闭电源

观察前面板的发光二极管是关闭的

以确定电源是关闭的

信号发生器也必须是关闭的

为了准备测试用的测试板

按图所示来安装电路五的跳针和器件

装上 JMP17 JMP18 JMP19 JMP20 JMP48 和 JMP50

并且在 U7 上装上 OPA277

这一页展示的是德州仪器高精度实验室

测试板上电路的原理图

您可以使用这个电路来测试 OPA277 的稳定性

为了让测试板正常工作

您只需安装电路的跳针和器件

不要安装 PCB 上其他电路里面的跳针和元件

不要安装 PCB 上其他电路里面的跳针和元件

移除未使用的电路上的跳针和器件

并把它们放在板子底部的存放区

这页介绍的是测试板和仪器的连接关系

用电源线连接仪器的直流电源

和测试板上的 J4 连接器

将测试板的 Vin1 连接到仪器的示波器的通道 1

并将 Vin2 连接到仪器的 FGEN

将测试板的输出 Vout1 连接到示波器的通道 2

接下来对仪器上电

并将 USB 电缆连接到电脑上

电脑会检测到一个虚拟的 CD 驱动盘

您可以直接运行 VirtualBench 的软件

当软件运行起来后

如下配置软件

设置时间分度为一微秒每格 捕获方式为自动

打开示波器通道一和二使能

增益设置为 1 直流耦合 10mV/div

使能波形发生器设置如下

频率10kHz 幅度 20mVpp 零伏的偏置

50% 的占空比的方波

将 +25V 的电源设为 +15V 的输出

限流 0.1A

将 -25V 的电源设为 -15V 的输出

限流 0.1A

点击电源键 打开电源

将窗口移动到方波的上升沿区域

这样您可以观察运放输出的过冲和振铃

使用游标来测量过冲的量

应该得到的测试如图所示

测到的过冲量应该是 55%

对应的相位裕度应该是 21 度

您得到的结果可能会有略微的差异

这个实验需要额外的波特分析软件

安装这个软件

然后点击 Start All Programs

Bode Analyzer

打开 Bode Analyzer 来运行这个软件

在配置面板上

设定电源为 正负 15V 限流 0.1A

点击绿色按钮 打开电源

将波形发生器的幅度设置为 0.02V

直流偏置为 0V

将扫描的开始频率设定为10kHz

截止频率为十兆赫兹

设定平均点数为十

每十倍频的点数为 30

点击 start 开始波特图分析

您应该得到一个类似的结果

使用光标拖动光标到最大值处来测量 AC 起翘

在这个测试中

AC 起翘为 8dB

相应的相位裕度为 23 度

您的结果可能有略微的差异

现在比较一下实际计算暂态和 AC 响应仿真

瞬态和 AC 响应测试得到的相位裕度

这些结果虽然有轻微的差别

但是都接近 27 度

在实验二中

我们使用隔离电阻

来增加实验一中电路的相位裕度

从而实现稳定

为了确定 iso 的阻值

我们首先必须知道电路的开环 AC 响应

这里我们展示了 TINA-TI 的原理图和仿真结果

您可以使用所附的文件进行验证

为了测试相位裕度

找到过 0dB 的频率点

并测试该频率点的相位

在这个例子里是 20 度

iso 应该在环路里带来一个零点

零点的位置要放在开环中增益比

闭环增益大 20dB 的频率处

这个电路是一个缓冲器电路

闭环增益是 0dB 所以零点要放在 20dB 处

开环增益为 20dB 对应的频率是 92kHz

我们可以使用这个频点和负载电容的值

来计算 iso 在这个例子里面应该是 786 欧姆

787 欧姆的电阻应该是最接近的标准电阻阻值

我们开始对 iso 补偿电路进行瞬态过冲仿真

仿真的步骤如下

点击 Analysis 然后点击 Transient

仿真时间从 100 微秒到 250 个微秒

输入信号为 20mVpp 10kHz 的方波

您可以看到结果如图

加入了 iso 后过冲减少到了 4.7%

对应的相位裕度为 65 度

显示电路稳定

我们再进行过冲测试

这次是带 iso 补偿的

跳针的设置几乎不变

唯一的变化是去掉了 JMP18

它原来是短路 787 欧姆的隔离电阻的

测试板还是和原来一样 只安装电路五

将未使用的跳帧和器件

放置在电路板下面的存储区

这页介绍的是测试板和仪器的连接关系

用电源线连接仪器的直流电源

和测试版的 J4 连接器

将 Vin2 连接到仪器的 FGEN

将测试板的输出 Vout1

连接到示波器的通道 1 来测试负载电压

将测试板的 Vout2

连接到仪器的示波器的通道 2

来测试运放输出

虚拟仪器的设置几乎和原来一致

唯一的改变是将时间分度设为五微秒每格

其它的设置必须和原来保持一致

使用光标来测试过冲的量

您应该看到与这相似的结果

使用了 iso 测试得到的不带载的过冲是12.5%

对应的相位裕度为 58 度

显示电路稳定

作为一个额外的实验

装上和去掉 JMP48 来测试瞬态响应

这其实是加上或者去掉 1k 的负载电阻

您可以看到当电路带载和不带载时

负载电压急剧变化

事实上当电路带载 iso 会带来 50% 的衰减

这是由于 iso 和负载电阻分压造成的

在最后一个实验中

我们会分别使用 iso

以及双回馈电路补偿方式来分析电路稳定度

和输出电压的准确度

用图中的公式来计算双反馈电路中器件的取值

对于这个例子

RF为 78.7k CF 为 150pF

下一步是对双反馈补偿电路

进行 SPICE 的瞬态过冲仿真

TINA 的仿真电路图附在 PPT 中

双击图标即可打开

仿真的步骤如下

点击 Analysis 转到点击 Transient

仿真时间从一毫秒到两毫秒

输入信号为 1Vpk 10kHz的方波

您应该可以得到相似的结果

如您观察到 在这种配置下

负载电压和输入电压匹配得很好

为了达到这一点

这个运放的输出电压提升来补偿 iso

和负载电阻的分压带来的衰减

在设置测试板前

请确保关闭直流电源

在虚拟仪器的软件中

点击电源区域的电源键来关闭电源

确保仪器前面板的 led 都熄灭

同时确保波形发生器也是关闭的

为了准备测试的测试板

如图电路六的跳针和器件

这一页展示的是德州仪器高精度实验室测试板上

电路六的原理图

您可以使用这个电路来对 OPA277 的

双反馈电路进行瞬态响应测试

为了让测试板正常工作

您只需安装电路六的跳针和元件

不要安装 PCB 上其他电路里面的跳针和元件

移除未使用的电路上的跳针和元件

并将它们归位于板子底部的存放区

电缆的连接和实验二一样

用电源线连接仪器的直流电源

和测试板的 J4 连接器

将 Vin2 连接到仪器的 FGEN

将测试板的输出 Vout1 连接到示波器的通道 1

来测试负载电压

将测试板的 Vout2 连接到仪器的示波器的通道 2

来测试运放的输出

虚拟仪器的设置几乎和原来一致

唯一的改变是将时间轴设为每格一百微秒

其他的设置必须和原来保持一致

您应该可以看到相似的结果

如您所见 而由于双反馈的补偿

即使改变电阻

负载电压还是精确的

运放的输出电压

会随着负载电阻的变小而增大以补偿分压效应

以上就是本节实验

非常感谢您的观看 谢谢大家

您好！

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室的运放稳定性环节

在这个实验中会包括计算

SPICE 仿真和实际测试

这些环节将帮助大家对视频中的概念加深理解

本实验的计算部分可以使用手动完成

如果使用 MathCAD

或者 Excel 这样的工具会更好

仿真环节可以使用任何的 SPICE 仿真器

因为在本实验中提供的

是德州仪器所提供的通用的运放的 SPICE 模型

用 TINA-TI 来实施这些仿真是最方便的

TINA 是免费的 SPICE 仿真器

可以从 TI 的网站上下载

TINA 的仿真原理图会附在 PPT 中

最后真实的测试会使用 TI 提供的 PCB 板

如果您有标准的实验设备

可以用示波器 波形发生器 波特仪

和正负 15 伏的电源来进行测试

我们推荐使用国家仪器的虚拟仪器

这套虚拟仪器是一套多功能的集成设备

可以通过 USB 或者 wifi 与电脑连接

这台仪器提供电源 信号发生器

示波器和五位半的万用表

以方便进行精确的测试

本实验应搭配使用虚拟仪器

而优化电路的量测

在实验一中

我们会决定带大电容负载的

缓冲电路的相位裕度和稳定性

我们也会通过观察瞬态的过冲

和 AC 传输特性来确定稳定性

首先使用稳定性章节中的公式和方法

来计算这里所示电路的相位裕度和过冲量

图形会在下一页给出

这个电路使用 OPA277

为了计算过冲及相位裕度

您必须知道这元件见过冲程度

和容性负载的关系

如左上图所示

再使用右图来确定相位裕度和过冲的关系

您可以在 PPT 下面的表格中输入您的答案

这个可以用来检验你的结果

下一步是进行 SPICE 的暂态过冲仿真

TINA 的仿真电路图附在 PPT 中

双击图标即可打开

仿真的步骤如下

点击 Analysis

然后 Transient

仿真时间从 100 微秒到 250 个微秒

输入信号是 20mV 的 Peak 10kHz 的方波

您可以通过仿真得到和上图相似的结果

仿真得到的 40% 的过冲

可以换算成 31 度的相位裕度

接下来进行 AC 传递函数的 SPICE 仿真分析

这可以让我观察运放的 AC 起翘也就是 Peaking

这是表征相位裕度的另一个指标

使用和之前一样的 TINA 的原理图

点击 Analysis 打开 AC Analysis

打开 AC Transfer Characteristic 来进行仿真

仿真的频率从 10k 赫兹到 10 兆赫兹

您可以看到一个相似的仿真结果

仿真得到的 6.7dB 的AC 起翘

得到 27 度的相位裕度

在测试电路之前

请先确定直流电源是关闭的

在虚拟仪器的软件中

点击电源按钮来关闭电源

观察前面板的发光二极管是关闭的

以确定电源是关闭的

信号发生器也必须是关闭的

为了准备测试用的测试板

按图所示来安装电路五的跳针和器件

装上 JMP17 JMP18 JMP19 JMP20 JMP48 和 JMP50

并且在 U7 上装上 OPA277

这一页展示的是德州仪器高精度实验室

测试板上电路的原理图

您可以使用这个电路来测试 OPA277 的稳定性

为了让测试板正常工作

您只需安装电路的跳针和器件

不要安装 PCB 上其他电路里面的跳针和元件

不要安装 PCB 上其他电路里面的跳针和元件

移除未使用的电路上的跳针和器件

并把它们放在板子底部的存放区

这页介绍的是测试板和仪器的连接关系

用电源线连接仪器的直流电源

和测试板上的 J4 连接器

将测试板的 Vin1 连接到仪器的示波器的通道 1

并将 Vin2 连接到仪器的 FGEN

将测试板的输出 Vout1 连接到示波器的通道 2

接下来对仪器上电

并将 USB 电缆连接到电脑上

电脑会检测到一个虚拟的 CD 驱动盘

您可以直接运行 VirtualBench 的软件

当软件运行起来后

如下配置软件

设置时间分度为一微秒每格 捕获方式为自动

打开示波器通道一和二使能

增益设置为 1 直流耦合 10mV/div

使能波形发生器设置如下

频率10kHz 幅度 20mVpp 零伏的偏置

50% 的占空比的方波

将 +25V 的电源设为 +15V 的输出

限流 0.1A

将 -25V 的电源设为 -15V 的输出

限流 0.1A

点击电源键 打开电源

将窗口移动到方波的上升沿区域

这样您可以观察运放输出的过冲和振铃

使用游标来测量过冲的量

应该得到的测试如图所示

测到的过冲量应该是 55%

对应的相位裕度应该是 21 度

您得到的结果可能会有略微的差异

这个实验需要额外的波特分析软件

安装这个软件

然后点击 Start All Programs

Bode Analyzer

打开 Bode Analyzer 来运行这个软件

在配置面板上

设定电源为 正负 15V 限流 0.1A

点击绿色按钮 打开电源

将波形发生器的幅度设置为 0.02V

直流偏置为 0V

将扫描的开始频率设定为10kHz

截止频率为十兆赫兹

设定平均点数为十

每十倍频的点数为 30

点击 start 开始波特图分析

您应该得到一个类似的结果

使用光标拖动光标到最大值处来测量 AC 起翘

在这个测试中

AC 起翘为 8dB

相应的相位裕度为 23 度

您的结果可能有略微的差异

现在比较一下实际计算暂态和 AC 响应仿真

瞬态和 AC 响应测试得到的相位裕度

这些结果虽然有轻微的差别

但是都接近 27 度

在实验二中

我们使用隔离电阻

来增加实验一中电路的相位裕度

从而实现稳定

为了确定 iso 的阻值

我们首先必须知道电路的开环 AC 响应

这里我们展示了 TINA-TI 的原理图和仿真结果

您可以使用所附的文件进行验证

为了测试相位裕度

找到过 0dB 的频率点

并测试该频率点的相位

在这个例子里是 20 度

iso 应该在环路里带来一个零点

零点的位置要放在开环中增益比

闭环增益大 20dB 的频率处

这个电路是一个缓冲器电路

闭环增益是 0dB 所以零点要放在 20dB 处

开环增益为 20dB 对应的频率是 92kHz

我们可以使用这个频点和负载电容的值

来计算 iso 在这个例子里面应该是 786 欧姆

787 欧姆的电阻应该是最接近的标准电阻阻值

我们开始对 iso 补偿电路进行瞬态过冲仿真

仿真的步骤如下

点击 Analysis 然后点击 Transient

仿真时间从 100 微秒到 250 个微秒

输入信号为 20mVpp 10kHz 的方波

您可以看到结果如图

加入了 iso 后过冲减少到了 4.7%

对应的相位裕度为 65 度

显示电路稳定

我们再进行过冲测试

这次是带 iso 补偿的

跳针的设置几乎不变

唯一的变化是去掉了 JMP18

它原来是短路 787 欧姆的隔离电阻的

测试板还是和原来一样 只安装电路五

将未使用的跳帧和器件

放置在电路板下面的存储区

这页介绍的是测试板和仪器的连接关系

用电源线连接仪器的直流电源

和测试版的 J4 连接器

将 Vin2 连接到仪器的 FGEN

将测试板的输出 Vout1

连接到示波器的通道 1 来测试负载电压

将测试板的 Vout2

连接到仪器的示波器的通道 2

来测试运放输出

虚拟仪器的设置几乎和原来一致

唯一的改变是将时间分度设为五微秒每格

其它的设置必须和原来保持一致

使用光标来测试过冲的量

您应该看到与这相似的结果

使用了 iso 测试得到的不带载的过冲是12.5%

对应的相位裕度为 58 度

显示电路稳定

作为一个额外的实验

装上和去掉 JMP48 来测试瞬态响应

这其实是加上或者去掉 1k 的负载电阻

您可以看到当电路带载和不带载时

负载电压急剧变化

事实上当电路带载 iso 会带来 50% 的衰减

这是由于 iso 和负载电阻分压造成的

在最后一个实验中

我们会分别使用 iso

以及双回馈电路补偿方式来分析电路稳定度

和输出电压的准确度

用图中的公式来计算双反馈电路中器件的取值

对于这个例子

RF为 78.7k CF 为 150pF

下一步是对双反馈补偿电路

进行 SPICE 的瞬态过冲仿真

TINA 的仿真电路图附在 PPT 中

双击图标即可打开

仿真的步骤如下

点击 Analysis 转到点击 Transient

仿真时间从一毫秒到两毫秒

输入信号为 1Vpk 10kHz的方波

您应该可以得到相似的结果

如您观察到 在这种配置下

负载电压和输入电压匹配得很好

为了达到这一点

这个运放的输出电压提升来补偿 iso

和负载电阻的分压带来的衰减

在设置测试板前

请确保关闭直流电源

在虚拟仪器的软件中

点击电源区域的电源键来关闭电源

确保仪器前面板的 led 都熄灭

同时确保波形发生器也是关闭的

为了准备测试的测试板

如图电路六的跳针和器件

这一页展示的是德州仪器高精度实验室测试板上

电路六的原理图

您可以使用这个电路来对 OPA277 的

双反馈电路进行瞬态响应测试

为了让测试板正常工作

您只需安装电路六的跳针和元件

不要安装 PCB 上其他电路里面的跳针和元件

移除未使用的电路上的跳针和元件

并将它们归位于板子底部的存放区

电缆的连接和实验二一样

用电源线连接仪器的直流电源

和测试板的 J4 连接器

将 Vin2 连接到仪器的 FGEN

将测试板的输出 Vout1 连接到示波器的通道 1

来测试负载电压

将测试板的 Vout2 连接到仪器的示波器的通道 2

来测试运放的输出

虚拟仪器的设置几乎和原来一致

唯一的改变是将时间轴设为每格一百微秒

其他的设置必须和原来保持一致

您应该可以看到相似的结果

如您所见 而由于双反馈的补偿

即使改变电阻

负载电压还是精确的

运放的输出电压

会随着负载电阻的变小而增大以补偿分压效应

以上就是本节实验

非常感谢您的观看 谢谢大家