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运放微分电路及其稳定性分析

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 楼主 | 2020-11-19 10:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
运放微分电路是个相当基础的电路,因微分运算是信号的变化率,意味着对于高频干扰较为敏感且理论上越高越敏感。

微分电路不仅对高频干扰敏感,其自身稳定性裕度(甚至稳定性)都难以保证。下面就给出相关稳定性分析。

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 楼主 | 2020-11-19 10:27 | 显示全部楼层
运放微分电路

运放微分电路及其稳定性分析-1.PNG

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 楼主 | 2020-11-19 10:30 | 显示全部楼层
注意上面运放采用的是一阶模型。在此前提下系统是稳定的,但稳定裕度不确定。

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 楼主 | 2020-11-19 10:36 | 显示全部楼层
理性运放是什么? 除了什么“输入阻抗无穷大”、“输出阻抗趋于零”和“失调趋于零”外,至关重要的是增益带宽积趋于无穷大

增益带宽积趋于无穷大是个什么意思呢? 直观看下图:

运放微分电路及其稳定性分析-2.png

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 楼主 | 2020-11-19 10:40 | 显示全部楼层
注意上图,“增益带宽积趋于无穷大”还涉及到沿着什么方向趋于无穷大。这就影响到运放微分电路稳定性分析,具体见下图:

运放微分电路及其稳定性分析-3.png

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| 2020-11-19 10:42 | 显示全部楼层


真是服了,这么简单的小儿科--------根据Tim Green书上的稳定判断方法-------一眼就看出答案了:


264455fb5db6992a96.png



很明显交点处的斜率为-1-1=-2,而非-1,是不稳定的。

这么简单的东东,都能写一篇论文,不服不行。




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| 2020-11-19 10:45 | 显示全部楼层

加个电阻就是想曲线到达运放频率响应-1断交点之前,就变平,于是电路稳定了。


421805fb5dc09f34ee.png



两句话的事,有什么值得长篇大论的?

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 楼主 | 2020-11-19 10:45 | 显示全部楼层
如果红线黑线的水平线段相交,那么就有足够的稳定裕度,否则稳定裕度严重不足。

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 楼主 | 2020-11-19 10:49 | 显示全部楼层
稳定裕度不足意味着其系统Q值很大。如果稍考虑一点其它因素,系统就可能不稳定。这就是运放微分电路的稳定性特点。

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 楼主 | 2020-11-19 10:50 | 显示全部楼层
那么,问题如何解决呢? 非常容易,见下图:

运放微分电路及其稳定性分析-4.png

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HWM 2020-11-21 13:01 回复TA
@zyj9490 :那是反馈系数倒数,具体看那个反馈系数。那条“横线”应该还要低点,在横轴上。 
zyj9490 2020-11-21 09:27 回复TA
黄线在低频处为何一开始是平的呢? 
| 2020-11-19 10:51 | 显示全部楼层
HWM 发表于 2020-11-19 10:50
那么,问题如何解决呢? 非常容易,见下图:



图都画错了还不知道,跟个傻子一样。

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 楼主 | 2020-11-19 10:52 | 显示全部楼层
上图就是运放微分电路稳定性问题的实际解决方案之一。

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| 2020-11-19 11:29 | 显示全部楼层
HWM 发表于 2020-11-19 10:52
上图就是运放微分电路稳定性问题的实际解决方案之一。


再次提醒复旦大学的博导教授----------你那个图画错了。。。。


Tim Green文档上的波特图,所对应的电路不是微分电路,你不能这样霸王硬上弓,如此的生搬硬套啊!!!
电路图不一样了,波特图也会跟着变!!!!

如此生搬硬套,令人发指!!!





545285fb5e69cda6c0.png



984235fb5e68b45e46.png





让你去非线性系统的稳定性、时变系统的稳定性,那不跟痴人说梦一样。



571275fb5e59a8b203.png




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zyj9490 2020-11-21 12:06 回复TA
TRIM是相位滞后校正,产生一个新极点比运放本身的极点要低,大幅度降低A频。 
 楼主 | 2020-11-19 12:19 | 显示全部楼层
最后,作个比较:

运放微分电路及其稳定性分析-a.PNG

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 楼主 | 2020-11-19 12:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 HWM 于 2020-11-19 12:32 编辑

通常,会采用示意图一分析,其中的问题是稳定性的确定。由前述可知,如果规定理想运放增益带宽积趋于无穷大沿着一定方向则可以保证电路稳定,那么相关分析没有问题。

但是,上述规定总有些牵强,那么就串入一个小电阻R1构成示意图二,如此可保证稳定。在稳定前提下,就可以使用相量分析如上。注意其近似条件。

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| 2020-11-19 13:31 | 显示全部楼层
教机器人开门似的一头口令一个动作。隨便找个文盲都知道,电容不串联电阻其电流可能达到无限大(理想值)。还需要用论文去证明。

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csdnpurple 2020-11-21 21:14 回复TA
@king5555 武断,这种解决方法不好,会影响工作频率上微分电路的功能。 
king5555 2020-11-21 20:29 回复TA
@csdnpurple :不用看了,微分电容不串电阻,对于前级是电容负载,是自激振荡,电阻限流后稳定了。相对应的积分电容不并联电阻,对于直流是开环,输出端飽和顶到电源轨。纯粹就电路机制去判断即可。 
csdnpurple 2020-11-21 18:17 回复TA
切换到回复看运放资料 
csdnpurple 2020-11-21 18:16 回复TA
不用贴图,就是本帖不带R1的那个微分,电容前级是运放驱动,运放型号SGM8051 
zyj9490 2020-11-21 18:11 回复TA
@csdnpurple :那你贴出一个实用电路,大家讨论下? 
zyj9490 2020-11-21 18:09 回复TA
@csdnpurple :不能正常工作,都叫不稳定,我们现在主要讨论的是奈氏不稳定性。 
csdnpurple 2020-11-21 18:07 回复TA
@zyj9490 系统稳定判据,可以根据零极点,传递函数系数,环路增益相位,都可判定是否稳定,这只是默认线性状态下,还必须考虑中间环节的信号是否大于电源电压带来的非线性不是? 
csdnpurple 2020-11-21 17:51 回复TA
有很多电路的实战中都用这个电路,没有发现过有不稳定,是否现在的运放就没有将两个极点放在0db上的情况? 
zyj9490 2020-11-21 17:29 回复TA
@csdnpurple :跟信号没有关糸,这是糸统特性决定的,只要某个频率相位反转,就自激,表示无中生有了,但不能量化。因此实际糸统中,各种频率的噪声无处不在,只不过被 糸统传递特性压制了而已,不能让它无限放大。 
csdnpurple 2020-11-21 17:26 回复TA
如果不是k所说情况,既信号幅值不超过电源电压,不需要R1在实操中也是无条件稳定的 
| 2020-11-19 13:36 | 显示全部楼层
HWM 发表于 2020-11-19 12:19
最后,作个比较:

降低A也可以吧,就是把运放输出作分压的再输出到R形成反馈,新极点RC极点不要先经过极点再过横坐标线,如果把A整体下降有可能达到目的。

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csdnpurple 2020-11-21 23:40 回复TA
干什么不是干,干了也白干,白干谁不干,HWM干还是不干呢?这是个值得思考的问题 
csdnpurple 2020-11-21 23:36 回复TA
一般情况下带宽内的频率上,相位欲量很大不会产生不稳定,产生不稳定的都是运放带宽极限部分,一般在工作带宽外,输出电阻不受反馈影响或者影响很小,由于没有计算过具体的数据图像是什么样并不敢断言,可以肯定的是和输出级的mos管的导通电阻相差无几了,就像你提到的几十道几百欧还是有的,所以会消除微分级的不稳定。 
zyj9490 2020-11-21 23:18 回复TA
@csdnpurple :你以为HWM是廉价教授级计算工啊。 
csdnpurple 2020-11-21 23:15 回复TA
不得建模、解传递函数、计算图表,工作量还是不小,主要是HWM每天一贴这事顺便就干了 
zyj9490 2020-11-21 23:08 回复TA
@csdnpurple :学过电压负反馈原理就知道。 
csdnpurple 2020-11-21 22:59 回复TA
具体的理论计算能否请@HWM给开一个主题 关于运放的输出电阻和频率、反馈深度的关系 
csdnpurple 2020-11-21 22:56 回复TA
产生不稳定的频率正好是负反馈没有作用的频率 
zyj9490 2020-11-21 22:33 回复TA
@csdnpurple :在前级构成负反馈放大器时。 
zyj9490 2020-11-21 22:30 回复TA
@csdnpurple :在带宽内,输出阻抗不会随频率升高而提高,运放低阻抗是通过深度负反馈实现的。开环输出阻抗可能是几十欧或几百欧。 
csdnpurple 2020-11-21 21:55 回复TA
@zyj9490 愿闻其详 
| 2020-11-21 12:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 zyj9490 于 2020-11-21 22:35 编辑

https://bbs.21ic.com/forum.php?mod=attachment&aid=MTU3NzA5NHw3NmM0ZTk4NWNkZDViZDI5YTYxNDYxYzRlOGIyNjM5MXwxNjA2Mjk0NTY1&request=yes&_f=.png都是稳定状态。最前图的左图画错的。还有如果信号源是恒流源也是稳定的。无穷大电阻替代r.零极点抵消,只有一个OP本身的极点。
deffstate.png
deffstate.png

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| 2020-11-21 12:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 csdnpurple 于 2020-11-21 16:19 编辑

第一电路中运放使用一阶模型,第二电路(增加R1)中运放使用零阶模型为何?

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zyj9490 2020-11-21 18:18 回复TA
零介模型的运放永远是稳定的。没有时延。即时反应。只要外部电路不构成极点糸统。产生极点都是有电抗因素引起的。说白了,是时延。反馈不能及时跟上。 
| 2020-11-21 16:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 csdnpurple 于 2020-11-21 17:08 编辑
csdnpurple 发表于 2020-11-21 12:41
第一电路中运放使用一阶模型,第二电路(增加R1)中运放使用零阶模型为何? ...

是否应该将第二电路的Q的公式在同等条件下列出以便大家方便对比前后变化以供参考?

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