您的位置 首页 编程

三步完好完成运放负反馈电路稳定性规划

三步完整实现运放负反馈电路稳定性设计-运放的增益可用波特图来表示,波特图就是增益与频率的关系。波特图上有零点、极点,零点和极点对运放电路增益的幅度和相位造成影响。

文/陈美良

要害词:运算扩大器,负反应,安稳性,理论剖析,仿真评价,测验验证,噪声,搅扰等。

Keywords: operational amplifier, negaTIve feedback, stability, theoreTIcal analysis, simulaTIon evaluaTIon, test verification, noise, interference, etc.

摘要:本文根据模仿量收集使用范畴,以依附于规划使用实例的办法,总结归纳出用理论剖析,仿真评价,测验验证三步的办法完好地介绍了怎么规划安稳的运放负反应电路

Abstract: Based on the field of analog acquisition applications, this article summarizes how to design a stable op amp negative feedback circuit by using a three-step method based on theoretical analysis, simulation evaluation, and test verification.

1前语

集成运算扩大器的参数有许多,但涉及到实践使用环境的不同,一些参数十分重要,别的一些则相对非必须。例如,在沟通高频范畴,会注重带宽和压摆率,而在直流精细场合,则注重输入失调电压、输入偏置电流。还有一些参数,不论直流仍是沟通,都会要点重视,如开环增益、共模按捺比、电源按捺比等。

可是安稳性规划提及的频率十分低,或许大部分规划人员以为正反应才振动,负反应运放电路不安稳是一个小概率的作业。特别是在直流精细范畴,似乎从来没有安稳性这么一个说法,咱们就把它放在教科书里边罢了。可是安稳性不产生问题则以,一旦产生问题,则是较难处理的问题。精度欠好,能够用软件校验的办法校准,线性度欠好能够选用多段线办法来标定。可是一旦硬件振动,或许不是纤细改动运放邻近电路的参数就能处理,大部分状况下面临着改PCB板的危险,改PCB板意味着规划定型的时刻延迟,这对产品出产、上市的压力可想而知。

因而,关于模仿量收集体系,不论运放是作为ADC的前级信号收拾,仍是作为DAC的后级输出,在原理图规划定型之前,化必定的时刻来评价安稳性,仍是很有必要。其实完结运放的安稳性规划也并不杂乱,一般经过理论剖析、仿真评价、测验验证这三个进程就可完结。下面将经过一个实践规划事例,顺次叙说这三个进程的内容。

2运放安稳性理论剖析

2.1运放电路安稳的条件

运放的增益可用波特图来表明,波特图便是增益与频率的联系。波特图上有零点、极点,零点和极点对运放电路增益的起伏和相位形成影响。

Ø极点的影响

设增益起伏在运放的带宽内为A(dB),在极点P1处有3dB的衰减,而且自极点今后以-20dB/10倍频的斜率线性衰减。关于相频特性,在极点P1处有-45°的相移,而且从极点频率的1/10到极点频率的10倍处,有-45°/10倍频的相移,最大会抵达-90°的相移。

Ø零点的影响

零点的影响与极点相反。设增益起伏在运放的带宽内为A(dB),那么在零点Z1处有3dB的添加,而且自零点今后以20dB/10倍频的斜率线性添加。关于相频特性,在零点Z1处有45°的相移,而且从零点频率的1/10到零点频率的10倍处,有45°/10倍频的相移,最大会抵达90°的相移。

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

图 1 极、零点对增益和相位的影响

Ø运放负反应电路安稳性规范

所谓负反应,是指把扩大器的电压或许电流输出量经过必定的办法,反送到输入端,且反应信号使净输入信号削弱的进程。运放负反应电路有这么一个联系式:

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

式中,ACL为闭环增益,AOL为开环增益,F为反应系数。假如1+AOL*F=0, 那么代表闭环增益无限大,这种状况下,小的输入信号将被无限扩大而振动。1+AOL*F=0也意味着AOL*F = -1,其数学含义为开环增益AOL与反应系数F的乘积的绝对值为1,但它们的相位相差180°。假如放入对数轴上, AOL*F=-1便是AOL对数曲线与1/F对数曲线穿插时,相位差抵达180°。

因为一个极点意味着-45°的相移,在其10倍频处变成-90°相移,那么两个极点最大就意味着-180°的相移。如图2两极点P1,P2所示,当AOL曲线与1/F曲线在第二个极点P2后相交,则或许在交点处乃至还没抵达交点之前,相移现已抵达-180°而进入振动区。

要使运放负反应电路安稳,应当确保AOL与1/F相交时,相移不会抵达180°,乃至不超越135°。一个直观化的了解,能够以为是规划AOL曲线与1/F曲线的零、极点,使之以小于40dB/10倍频的速度相交。

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

图 2 负反应扩大电路模型及振动模型

2.2实践电路剖析

下面是一个由0~10V电压转0~20mA电流的单运放处理计划。这个电路的传输公式很经典,抱负状况下,Io = Vin*(R2/(R1*R5)),Io与Vin成线性联系,能够很好地完结电压电流转化,且另一优点是本钱能做到很低价。但仔细观察,其输出反应接到反相端的一起,也反应到正相端,运放输出端接470Ω后到三极管的基极,意味着又接了一个大阻抗器材然后才到负载端,而且负载端容性负载也较大,这就需求好好考虑安稳性问题了。因为任何运算扩大器,其开环增益AOL自身自带一个极点P1,所以剖析安稳性,要害要剖析电路有没有第二个极点P2,以及第二个极点P2的频率方位,第二个极点越靠前,产生在低频处,则越简单振动。

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

图 3 实践电压转电流原理图及等效原理图

上图右图中,把Q1用等效模型代替后,能够很清楚地看到,电路是有第二个极点的,极点的方位如下。

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

从安稳性而言,本电路要处理两个问题,一为开始确认第二极点P2的方位,从上述公式能够看到,因为Rbe是三极管β、Vbe(on)的函数,也是Io的函数,β和Vbe(on)能够经过三极管的数据手册查到,可是两个参数都不是仅有,这种状况下能够考虑最严厉的状况,即三极管β、Vbe(on)取最大值,而Io取最小值,这样Rbe应当远大于RL,P2底子由RL与CL决议。0~20mA输出阻性负载一般不会大于1KΩ,就以最大值1KΩ核算,那么得到这个电路最靠近低频的P2大致为1/(2*π*RL*CL) = 3.4Khz。

第二个问题是消除第二个极点带来相移-180°的影响。根据AOL波特图曲线与1/F波特图曲线联系的不同,有多种相适应的办法进行安稳性规划,如在AOL第二个极点之后产生一个零点,或许使1/F在远小于AOL第二个极点频率处产生一个零点,举高1/F,然后再产生一个极点,使之与AOL在-20dB/10倍频的斜率处相交,等等。这儿因为已知P2很小,引荐使用在1/F曲线上直接产生一个极点,使其与AOL曲线相交时,差值为-40dB/10-(-20dB/10),这样仍然是-20dB/10倍频的速度。先算出1/F的表达式,如下:

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

那么产生极点的办法为在R4上并联一个电容

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

图 4 安稳性规划原理图

并联电容C1后,1/F的极点频率公式为:

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

1/F的极点原则上在AOL的极点P2到10倍的P2之间,因为R4=100KΩ,AOL的极点P2为3.4Khz,这样算出来C1的规模大致在47pF~470pF之间。

3运放安稳性仿真评价

许多的电子电路,其实并不严厉需求仿真来模仿,因为理论核算或许经历现已把功能摸得很透。可是振动的特性是不确认的,就如安稳的状况只要一种,可是不安稳的状况或许有千万种。仿真模仿便是处理这种不确认性的有用办法,一起,在安稳性剖析方面,仿真模仿还有以下优势。

Ø为理论剖析把关

经过理论剖析,规划者应当有一种猜测,便是大约到什么频段,假如没有导入安稳性规划,则体系会振动。仿真模仿经过反推的办法来证明理论剖析的正确性。如本电压转电流的电路,假如第二极点频率为3.4Khz,则从3.4Khz 到34Khz及以上,相移会逐渐增大直到-180°,引起振动。而实践上,在必定条件下本电路确真实低于34Khz时就有振动产生。

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

图 5 振动仿真波形图

Ø为要害器材选型供给根据

理论剖析中,尽管选用模型化、参数化的办法解说了一些遍及的道理,但实践真的就与理论严丝合缝吗,恐怕不见得。理论剖析中,为了简化起见,常常先抓首要模型,首要参数,有一些参数因而被疏忽。如本例中,运算扩大器AOL和反应系数倒数1/F的实践曲线放在了非必须方位,而三极管的β、Vbe(on)参数也简化而被疏忽。

而终究,咱们总要从品种繁复的运放和三极管中选出一个类型来为产品所用,去研讨数据手册固然不错,但抱愧的是,这些参数对安稳性剖析到底会带来多大差错,仍是未知数。仿真便是在这些产品中加了一把筛子,只要不被安稳性目标漏下去的才是可选项。

Ø为改进计划挑选最优化参数

提出仿真评价的必要性,另一意图是为理论难以剖析或许过于杂乱的当地做必要的弥补。运放安稳性的仿真与一般信号传输的仿真仍是有些不同,它不能仅是把SPICE模型调出来罢了,而应当要考虑到一些PCB板级的要素,比如要考虑散布参数的影响。运放输入输出引脚上的散布阻抗、散布电容或许会产生额定的零、极点,电缆长度的不同,形成附加负载电容的改变,也会影响第二极点的方位。实例中,经过仿真,在考虑运放引脚散布电容直到20pF,输出负载电容添加到1uF,运放选用LM224,三极管选用2SC3613,在C1=100pF的状况下,体系能够安稳的作业。

4运放安稳性测验验证

实践的产品,还包含了元器材质量要素、不同厂家要素、出产要素、与其他产品接口等各环节,经过实测来盖棺事定,这对任何参数都是公正的。实测的别的一个优势是能够采纳多种组合测验,加严测验条件。如本例中除了在常温下测验,还能够在高、低温下,加大容性负载条件下,在满负载或许用户端短路的状况下丈量是否还有振动的状况产生,而验证规划裕量的足够性。值得注意的是,涉及到安稳性,即便是直流模仿量范畴,测验东西也不只限于万用表,而更应当用示波器去看看信号的实践波形。

振动的消除与否,应当总能够经过某项或某几项目标表现出来,而对使用者供给更差或许更好的功能。直流精细范畴,用户一般会对精度、线性度等功能目标十分较真,而供货商供给产品时,其大都根据很多的测验数据和结合理论核算,一个产品才能把他的参数目标发布与众。如下表实测数据所示,进行安稳性规划之前和之后,能使模仿量精度、线性度的目标进步4~5倍。

三步完好完结运放负反应电路安稳性规划

图 6 C1开路及 C1=100pF电流测验数据

5结语

现已知道,即便在负反应电路中,当AOL*F = -1时,电路也会不安稳,这是因理论而取得的。假如实践国际中,AOL*F 永久不等于 -1,则底子不需求安稳性剖析。

问题是,咱们的实践环境不是如此。首要,运放AOL波特图自身表现为一阶低通滤波器的特性,而且因为运放输出阻抗的存在,而负载又有容性,或许体系总是存在散布电容,导致AOL有附加的第二个极点。而咱们的输入信号永久存在着噪声和搅扰,不论是直流仍是沟通使用,这些搅扰都在需求的的信号上叠加。当噪声和搅扰频率高于AOL的第二个极点时,意味着相移能抵达-180°,意味着AOL*F有或许等于-1,这样不安稳就产生了。

本文根据一个实践电路,提出理论剖析、仿真评价彼此印证而又彼此弥补的办法来进行安稳性规划,最后用测验手法来完结验证的一种思路。这种思路提示规划者对安稳性坚持灵敏,使规划提早导入安稳性的预防措施,有用管控规划危险,供给产品更佳的功能。

作者简介:

陈美良,1997年结业于南昌大学电子信息工程专业,本科,学士学位。长时间从事工控产品硬件研制,有多项本范畴发明专利。现任职施耐德电气(我国)有限公司上海研制中心,PLC架构师,电子主规划师。

声明:本文内容来自网络转载或用户投稿,文章版权归原作者和原出处所有。文中观点,不代表本站立场。若有侵权请联系本站删除(kf@86ic.com)https://www.86ic.net/fangan/biancheng/107647.html

为您推荐

联系我们

联系我们

在线咨询: QQ交谈

邮箱: kf@86ic.com

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

返回顶部