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线性稳压器件(Linear Regulators):工作原理及补偿(二)

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星星之火红|  楼主 | 2012-11-12 20:48 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
回路增益(LOOP GAIN
每个闭环系统都有个特性叫做回路增益。在稳压器的分析中,回路增益定义为反馈信号通过整个回路后的电压增益。为了更好的解释这个概念,LDO的框图(如图2)修改如下图6所示:




       变压器(Transformer)用来将交流信号(AC Signal)注入(Inject)到“A”、“B”点间的反馈回路。借助这个变压器,用小信号正弦波(Small-signal Sine Wave)来“调制”(modulate)反馈信号。可以测量出A、B两点间的交流电压(AC Voltage),然后计算回路增益。回路增益定义为两点电压的比(Ratio):
                     Loop Gain = Va / Vb                                                            
        需要注意, 从Vb点开始传输的信号, 通过回路(Loop)时会出现相位偏移(Phase Shift),最终到达Va点。相位偏移(Phase Shift)的多少决定了回路的稳定程度(Stability)。


反馈(FEEDBACK
所有的稳压器都用到了反馈以使输出电压稳定。输出电压是通过电阻分压器进行采样的(如图6),并且该分压信号反馈到误差放大器的一个输出端。
因为误差放大器的另一个输出端连接到一参考电压源上,误差放大器将会调整输出到导通管的输出电流以保持DC电压的稳定输出。 必须要注意,为了达到稳定的回路就必须使用负反馈(negative feedback)。负反馈(有时称为degenerative feedback)就与源信号的极性相反(如图7)。



由于与源的极性相反,负反馈总会阻止任何的输出变化。也就是说,如果输出电压想要变高(或变低),回路总会阻止其到正常值。 正反馈(Positive Feedback) 当反馈信号与源信号有相同的极性时就会发生正反馈。此时,回路响应会与发生变化的方向一致。这样明显不能达到稳定,因为不能消除输出电压的改变,反而将变化趋势扩大了。很明显不会有人在线性稳压器件中使用正反馈,但是如果出现180°的相移,负反馈就成为正反馈了。

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沙发
星星之火红|  楼主 | 2012-11-12 20:48 | 只看该作者
相位偏移(PHASE SHIFT
相位偏移就是反馈信号经过整个回路后出现的相位转变的总和(相对起始点)。相移(用度表示)通常使用网络分析仪(network analyzer)测量。理想的负反馈信号与源信号相位差180°(如图8),因此它的起始点在-180°。在图7中可以看到这180°的偏置。也就是波型差半周。




可以看到,从-180°开始,增加180°的相移,就会使信号相位回到零度。这也就使反馈信号与源信号相位相同了,并使回路不稳定。


相位裕度(PHASE MARGIN
相位裕度定义为在回路增益等于0dB时,反馈信号总的相位偏移与-180°的差。一个稳定的回路一般需要20°的相位裕度。相位偏移和相位裕度可以通过波特图中的零、极点计算获得。
极点(POLES
极点(如图9)就是增益曲线中斜度为-20dB/十倍频程的点。每添加一个极点,斜度增加20dB/十倍频程。增加n个极点,n×(-20dB/十倍频程)。



每个极点表示的相位偏移都是频率相关的,相移从0到-90°(增加极点就增加相移)。最重要的一点是几乎所有由极点(或零点)引起的相移都是在十倍频程范围内。注意:一个极点只能增加-90°的相移,所以最少需要两个极点来到达-180°(不稳定点)。

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板凳
星星之火红|  楼主 | 2012-11-12 20:48 | 只看该作者
零点(ZEROS
零点(如图10)在增益曲线中斜度为+20dB/十倍频程的点。



零点产生的相移为0到+90°,在曲线上有+45°角的转变。首先要知道的是零点就是“反极点”,它在增益和相位上的效果与极点恰恰相反。这也就是为什么要在LDO稳压器的回路中添加零点的原因:它可以抵消极点的效果。
波特图分析
一个包含三个极点和一个零点的波特图(如图11)将用来分析增益和相位裕度。



假设直流增益为80dB,第一个极点发生在100Hz处。在此频率时,增益曲线的斜度变为-20dB/十倍频程。 1kHz处的零点使斜度变为0dB/十倍频程,到10kHz处增益曲线又变成-20dB/十倍频程。在100kHz处的第三个也是最后一个极点将增益斜度最终变为-40dB/十倍频程。 也可以从图中看到单位增益点(0dB)交点频率是1MHz。0dB频率通常称为回路带宽(loop bandwidth)。 相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。为了产生这个图,就要根据分布的零极点计算相移的总和。在任意频率(f)上的极点相移,可以通过下式计算获得:
极点相移= -arctan(f/fp)
在任意频率(f)上的零点相移,可以通过下式计算获得:
零点相移= -arctan(f/fz)
此回路稳定么?为了回答这个问题,我们只需要知道0dB时的相移(是1MHz)。根本无需复杂的计算。 前两个极点和第一个零点分布使相位从-180°变到+90°,最终导致网络相位转变到-90°。最后一个极点在十倍频程中出现了0dB点。使用零点相移公式,该极点产生了-84°的相移(在1MHz时)。加上原来的-90°相移,全部的相移是-174°(也就是说相位裕度是6°)。该回路可能引起振荡。



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地板
xiao6666| | 2012-11-12 21:28 | 只看该作者
不错不错。

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