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