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电容负载稳定性:输出引脚补偿 之二

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GoldSunMonkey|  楼主 | 2013-2-27 18:42 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

CMOS RRO:输出引脚补偿

  我们的 CMOS RRO 输出引脚补偿实例如图 9.20 所示。这种实际电源应用采用 OPA569 功率运算放大器作为可编程电源。为了在负载上提供精确的电源电压,可以采用一种差动放大器 INA152 对负载电压实施差动监控。闭环系统可以补偿任何从可编程电源到负载的正/负连接中的线路压降造成的损耗。OPA569 上的电流限值设定为2A。在我们的实际应用中,这种电源具有灵活的配置,因此可以在差动放大器 INA152 的输出上提供多大达10nF 电容。这样是否能够实现可编程电源的稳定运行?

图 9.20:可编程电源应用

  我们在图 9.21 中详细说明了在我们的可编程电源应用中使用的 IC 的主要规格。

图9.21:可编程电源 IC 主要规格

  我们用于反馈的 INA152 差动放大器采用如图 9.22 所示的 CMOS RRO 拓扑。

图9.22:INA152 差动放大器:CMOS RRO

  我们采用图 9.23 中的 TINA Spice 电路检查可编程电源的稳定性。我们的 DC 输出由 Vadjust 设定到3.3V,同时应用一个较小的瞬态方形波检查过冲与振铃。

图9.23:瞬态稳定性测试:原始电路

  图 9.24 中的瞬态稳定性测试结果显然不够理想。我们不希望在未经进一步稳定性补偿情况下投产这种电路。

图9.24:瞬态稳定性图:原始电路

  图 9.25 中的 TINA Spice 电路用于检查原始电路中的不稳定性是否由 INA152 输出端的 CX负载所引起。我们将采用瞬态稳定性测试进行快速检测。

图9.25:差动放大器反馈:原始电路

  图9.26可以证明我们的推测,即:是CX造成了差动放大器INA152的不稳定性。

图9.26:瞬态图:差动放大器反馈,原始电路

  差动放大器由 1 个运算放大器以及 4 个精密比率匹配电阻器构成。这给我们的分析工作带来了挑战,因为我们无法直接接入内部运算放大器的 - 输入或 + 输入。在图 9.27 中我们可以看到差动放大器的等效示意图,同时可以看出测量 Aol 的明确方法。我们将采用 LT 断开任何相关 AC 频率的反馈,同时仍然保持准确的 DC 工作点(LT 对于相关 DC 频率短路,对于相关 AC 频率开路)。通过把 INA152 的 Ref 引脚连接到 VIN+ 引脚,我们可以创建一个非反相输入放大器。通过在 Sense 与 VOA 之间放置 LT,我们可以理想地在任何相关AC频率驱动运算放大器进入开路状态。INA152 运算放大器的内部节点 VM 可以在相关 AC 频率达到零点。VP 只需作为 VG1,然后我们可以轻松测出 Aol = VOA/VG1。请注意:我们只要把 VdcBias 设定为 1.25V 以便在 VOA 产生 2.5V DC,即可衡量 DC 工作点。

  我们把图 9.27 的 INA152 Aol 测试电路概念转化成图 9.28 所示的 TINA Spice 电路。我们知道,用于 INA152 的 TINA Spice 宏模型是一种 Bill Sands 宏模型[参考:《模拟与 RF 模型》,(http://www.home.earthlink.net/%7Ewksands/)],因此该宏模型可以精确匹配实际硅片。

图9.27:INA152 Aol 测试电路概念

图9.28:TINA Spice INA152 Aol 测试电路

  图 9.29 说明了根据 TINA Spice 仿真获得的 INA 152 详细 Aol 曲线。请注意:Aol 曲线中在 1MHz 时存在第二个极点,在基于 Aol 相位曲线的频率之外存在某些更高阶的极点,其在 1MHz 之外表现出比每十倍频程 -45度更陡的斜率。


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沙发
GoldSunMonkey|  楼主 | 2013-2-27 18:42 | 只看该作者

图 9.29:INA152 Aol TINA Spice 结果

  由于我们已知道 INA152 是一款 CMOS RRO 差动放大器,因此,除了 Aol 曲线,还需要 Zo 进行稳定性分析。在图 9.30 中建立一个 Zo 测试电路概念。与图 9.28 的 Aol 测试电路相似,我们可以利用所示的 LT 与电路连接强迫 INA152 的内部运算放大器在任何相关 AC 频率进入开路状态。我们现在将采用设为 1Apk 的 AC 电流电源驱动输出,同时直接根据 VOA 的电压测量 Zo。

图 9.30:INA152 Zo 测试电路概念

  我们在图 9.31 中建立了 TINA Spice INA152 Zo 测试电路。快速 DC 分析表明我们可以得到 INA152 的正确 DC 工作点。最好在利用 Spice 进行 AC 分析之前先执行 DC 分析,以便确定电路在任何电源轨下都不饱和,电源轨可能会造成错误AC分析结果。


图 9.31:INA152 Zo TINA 测试电路

图 9.32:INA152 TINA Zo 曲线

  图 9.32 的 TINA Zo 测试结果显示了 Zo 的典型 CMOS RRO 响应。我们可以看到在 fz="76".17Hz 时出现一个零点,在 fp="4".05Hz 时出现一个极点。

图 9.33:INA152 Tina Ro 测量

  我们在图 9.33 中根据由 TINA Spice 创建的 Zo 曲线测量 Ro。Ro = 1.45k 欧姆。

  我们从测量的 Zo 图可以获得 Ro、fz 以及 fp。我们利用这些资料可以创建 INA152 的等效 Zo 模型,如图 9.34 所示。

图 9.34:INA152 Zo 模型

  我们可以利用 TINA Spice 仿真器快速检测等效 Zo 模型与实际 INA152 Zo 相比的准确性。等效 Zo 模型结果如图 9.36 所示,并与图9.35 作了相关对比。由此可见,等效 Zo 模型非常接近,因此可以继续进行稳定性分析。


图 9.35:Zo 等效模型与 INA152 Zo 对比

图 9.36:TINA 图:INA152 等效 Zo 模型

  现在我们可利用 Zo 等效模型分析负载电容 CL 对 INA152 输出的影响。从 Aol 曲线中,我们可以看到在CL=10.98kHz 时造成的附加极点(如图 9.37 所示)。

图 9.37:计算 Zo 与 CL 造成的极点(fp2)


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