稳定性分析 4

大家好 欢迎来到 TI Precision Labs 德州仪器高精度实验室 本次课程是运放稳定性分析的第 4 部分 之前的课程中 我们集中在使用 SPICE 工具 理解和测量相位裕量和闭合速率上 本此课程会介绍 如何采用一种间接相位裕量测量的方法 在 SPICE 和实际电路中 进行时域和交流频域的测量 虽然我们在先前课程中 讨论了如何在 SPICE 中 测量相位裕量和闭合速率 然而对于实际的电路 却很难在实验室中进行开环测试 幸运的是 有两种对电路间接测量相位裕量的方法 第一种是测试阶跃响应 或者方波响应输出信号的过冲百分比 这样的测试 可以通过信号发生器与示波器完成 第二种是测试增益曲线的峰值 这个测试同样需要使用示波器 但还需要一个增益/相位分析仪 和 SPICE 仿真所得结果一样 过冲百分比的幅度 交流响应增益曲线的峰值 和电路的相位裕量是互相关联的 相位裕量小的电路 与输入的阶跃信号相比 输出会出现欠阻尼过冲输出 相位裕量小的电路 在交流响应中有很明显的增益峰值 在间接测量相位裕量前 电路需要简单地修正 首先间接相位裕量测量 需要在运放输出端测量 不能在任何输出滤波器之后 然而需要保证所有的负载 都连接在运放输出端 看其对稳定性的影响 输入滤波电路必须去掉 以保证输入的阶跃信号 或者交流扫描信号 是直接加在运放的同相端 在 SPICE 中 只需断开输入滤波器 将输入信号接到同相端即可 在实际测量时 也只需要在 PCB 上移除滤波电路 然后将信号直接接在同相输入端 这里将介绍如何在 SPICE 中 仿真过冲百分比和交流幅频响应的峰值 我们也可以在实际测试中 使用同样的基本原理 在仿真时 首先要将输入信号源设置为单位阶跃 选择输入振幅使得输出信号 只变化 10 到 20mV 如果运放的输出是驱动一个容性负载 则大于 10 到 20mV 的信号 会形成大信号响应 而掩盖小信号稳定性问题 因此通过电路的增益 来计算输入信号的幅度 使得输出只变化 10 到 20mV 在阶跃开始前加一个小延时 使得整个过程能够被观察到 点击 OK 保存输入信号配置 输入信号正确设置之后 点击 Analysis 菜单 选择瞬态响应 设置开始与结束时间 然后点击 OK 启动仿真 不用任何测试 通过观察阶跃响应是否有过阻尼 临界阻尼或者欠阻尼 就可以直接判断电路是否有稳定性问题 如果需要的话 曲线可以分开看 或者可以删除输入曲线 在测量过冲百分比前 先检查得到的输出阶跃信号的值 将 A 光标放在输出信号的初始值上 B 光标放在输出稳定后的值 看两者在纵轴上的差值 确保输出是正确的幅度 在此电路中 输出信号是 10mV 符合稳定性分析所需的小信号阶跃输出 为得到过冲百分比 将 A 光标放在过冲的峰值上 将 B 光标放在稳定值上 两者的差值为过冲的值 用右边的公式进行计算 在这个电路中 过冲百分比为 22.16% 我们可以用此值来计算相位裕量 图中曲线表示相位裕量 与过冲百分比的关系 它是基于两者间以阻尼因子 表示的数学关系所生成的 在横轴上找到 22.2% 的值 然后画一条与之垂直的直线 与曲线相交对应的纵坐标 即为相位裕量 22.2% 的过冲值对应 46 度的相位裕量 这个值高出我们推荐的 45 度标准值 要进行交流增益峰值仿真 先需要将输入信号源 直接加在运放的同相端上 信号源的直流值 会对电路工作状态产生影响 这也会影响到交流特性 但是阶跃信号或者正弦波输入信号 则不会对这个仿真产生影响 在 Analysis 菜 单 中 选 择 AC Analysis 转到 AC Transfer Characteristic 设置开始与结束的频率信号 点击 OK 开始运行仿真 对于 AC 峰值的测试 在设置输入信号时 需要考虑使得输出信号 在运放的线性范围内 从而在电路运行的频率范围内 进行增益/相位的测试 为得到交流增益峰值 将 A 光标放在增益的峰值处 将 B 光标放置在增益的平坦处 交流增益的峰值正好是二者之差 此电路中值为 2.065dB 相位裕量与增益峰值的关系曲线如图所示 要得到相位裕量 先在横轴找到 2.07dB 然后画一条垂直于横轴的直线 其与曲线的交点 再画一条平行于横轴的线 对应的纵轴读数即为相位裕量 2.07dB 峰值所对应为 46 度相位裕量 与过冲方法得到的结果一致 之前课程中提到的测量相位裕量的方法 是用于直接测量电路的相位裕量 我们可以用它来检验 间接测试方法的准确性 如图所示 之前测量的结果为 46 度 与通过过冲法和交流增益法 得到的结果相同 因而间接测量法 为我们在实验室中测量 或者用 SPICE 仿真 提供了一个很有力的工具 最后本课程讨论了 使用过冲与交流增益峰值法 来间接得到相位裕量的方法 视频主要集中在介绍 SPICE 仿真 但是同样的方法 也可以用于实验室测试 虽然间接方法 可以识别出电路是否有稳定性问题 但不能分析到导致稳定性问题的原因 因而如果用间接法得出 结论为电路具有稳定性问题 推荐用断开环路法 来分析产生问题的根源 是由于输入有容性负载 还是由于反馈环路引起的 谢谢您的观看 请准备好下面的一个小测试 看看你是否已掌握本次学习的内容