打印
[技术讨论]

跟随器稳定性讨论:理论+仿真到实测

[复制链接]
147|2
手机看帖
扫描二维码
随时随地手机跟帖
跳转到指定楼层
楼主
#申请原创# @21小跑堂

使用运算放大器搭建的电子电路,形成负反馈电路,比如同相放大器,反相放大器尤其是跟随器,就要考虑其运放的稳定性。在这里,通过简单的结论性理论,仿真结果以及实测结果来探究这一特性。
   运放的稳定性从频域(s域)的角度看待,就是通过传递函数的零极点作用,分析相位裕度和增益裕度。在时域的角度看待,就是波形过冲和振荡的幅度。
一般运放规格书中描述是单位增益稳定的,那么组成跟随器电路一般是稳定的,但是也会对接的负载电容的容值大小有要求,下图是接不同容值的负载电容,会造成输出增益出现尖峰,引入噪声,造成振荡。

这个原因是因为负载电容在环路增益(LG)中增加了极点,降低了相位裕度。下图是运放的简易内部框图,来分析环路增益LG=Vr/Vs十分方便。不考虑运放输入pin的寄生电容引起的极点。

上图是同相放大电路的示意图,跟随器的示意图,就是不使用RG就性了。跟随器的传递函数的分析结果就不推导了,直接给出LG的传递函数,来看零极点的分布:

其中A(s)是运放的开环传递函数,在运放规格书会直接提供的,一般用于分析的是低频主极点。同时负载电容CL会提供另一个极点。这样问题就来了,大学学过自控的都知道,双极点会产生180度相移。如果两个极点都在穿越频率之前,就很有可能没有足够的相位裕度,造成系统不稳定。
应对这种情况,有很多种方法,其中之一就是在输出端和负载电容之间串联电阻,形成一个新的零点。

增加输出串联电阻后,传递函数的表达式中就增加了零点。合理设置元件的参数,就可以保证在穿越频率的时候,有足够的相位裕量和增益裕量。
   快速而简单的说完了理论的内容,然后做仿真分析,先去TI官网下载一个运放的spice模型。作为国外大公司,其提供的数据不可谓不丰富,有着对应很多的仿真软件的模型数据,挑选自己常用仿真软件的模型。

  我一般使用ADI公司的LTspice仿真,就下载了第一个Pspice模型,然后在LTspice中完成原理图的绘制,做了一个跟随器。

输入是1KHz的方波信号,输出有10nF的负载电容。输出响应的波形有明显的过充和振荡。依次来看,应该相位余量不够。

将仿真模型切换为频域仿真:

进一步查看穿越频率处的相位余量,基本是0度@fc=544KHz,这个时候系统肯定是不稳定的。

这个时候只要串联一个小小的100欧姆电阻,增加一个极点,相位余量就变换为69度,具备足够的相位余量。

返回修改时域的原理图,仿真也可以看到,输出波形没有过冲和振荡的

通过频域的传递函数分析,修改零极点的位置和个数,增加频域传递函数足够的相位余量,可以保证时域波形的稳定。通过仿真验证改进的正确性。
但仅仅是仿真验证是不够的,最重要的是通过试验来佐证,才能试验理论→仿真→验证的闭环分析。
通过TI提供的EVM板进行验证,使用跳线来选择是否接入串联电阻R19=750欧姆。


当使用跳线J18短接,短路R19,示波器黄色是输入波形,蓝色是输出波形,测量跟随器的输出波形是振荡的,系统是不稳定的。

当不使用跳线J18短接,电阻R19接入电路后,输出波形是没有振荡的,只有输出电容带来的延迟状态。

至此关于运放稳定的分析结束了,至于零极点为什么会对波形的幅值形状相位产生影响,两者之间的关系是什么,如果仅仅是记住结论:在穿越频率处,需要PM=45度和GM=6dB以上,零极点的个数到底是怎么影响时域波形的形状,就没有直观的对应关系。
详细的分析推导就要从信号与系统的入手,展开讲就需要说很多了。所以快速的问了下豆包,给出了如下的回答:

可以把这个结论当成频域分析和时域分析的对应关系理解了。

使用特权

评论回复
评论
dirtwillfly 2025-3-6 08:34 回复TA
好久不见 

相关帖子

沙发
Siderlee| | 2025-3-5 21:47 | 只看该作者
要有这精神!

使用特权

评论回复
发新帖 我要提问
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

81

主题

626

帖子

6

粉丝