集成运算放大器电路的稳定性设计.docx

集成运算放大器电路的稳定性设计集成运成放大器的参数有很多,但涉及到实际应用环境的不同，一些参数非常至要，另外一些则相对次要。例如，在交潦i频领域，会重视带宽和压搜率，而在直流精密场合，则重视输入失调电压、输入偏置空遮。还有一些参数，不管宜流还是交流，都会重点关注，如开环增益、共模抑制比、电源抑制比等。但是稳定性设计提及的频率非常低，可能大部分设计人员认为正反馈才振荡，负反馈运放电路不稳定是一个小概率的事情。特别是在直流精密领域，仿佛从来没有稳定性这么一个说法，大家就把它放在教科书里面而已。但是稳定性不发生问题则以，一旦发生问题，则是较难处理的问题。精度不好，可以用软件校验的方式校准，线性度不好可以采用多段线方式来标定。但是一旦硬件振荡，可能不是细微改动运放附近电路的参数就能解决，大部分情况下面临着改PCB板的风险，改PCB板意味着设计定型的时间延迟，这对产品生产、上市的压力可想而知.因此，对丁模拟采维系统,不管运放是作为ADC的前级信号整理,还是作为DAC的后级输出，在原理图设计定型之前，化一定的时间来评估稳定性，还是很有必要。其实完成运放的稳定性设计也并不更杂，通常通过理论分析、如良评估、测试验证这三个步骤就可完成。下而将通过个实际设计案例，依次叙述这三个步骤的内容。2运放稳定性理论分析2.1运放电路稳定的条件运放的增益可用波特图来表示，波特图就是增益与频率的关系。波特图上有零点、极点，零点和极点对运放电路增益的幅度和相位造成影晌。0极点的影响设增益幅度在运放的带宽内为A(dB),在极点P1.处有3dB的衰减，并且自极点以后以20dB10倍频的斜率线性衰减。对于相频特性，在极点P1.处有-45°的相移，并且从极点频率的1/10到极点频率的10倍处，有-45。/10倍频的相移,最大会达到-90。的相移。0零点的影响零点的影响与极点相反。设增益幅度在运放的带宽内为<<IB>,那么在零点Z1.处有3dB的增加，并且自零点以后以20dB10倍频的斜率线性增加。对于相频特性，在零点Z1.处有45°的相移,并且从零点频率的1/10到零点频率的10倍处，有45°/10倍频的相移，最大会达到90°的相移“图1极、零点对增益和相位的影响0运放负反馈电路稔定性标准所谓负反馈，是指把放大器的电压或者电流输出量通过定的方式，反送到输入湍，且反馈信号使净输入信号减弱的过程。运放负反馈电路有这么一个关系式：式中，AC1.为闭环增益，AO1.为开环增益，F为反馈系数。如果1.+01.*F-0,那么代表闭环增益无限大，这种情况下，小的输入信号将被无限放大而振荡。1+AO1.*F=O也菽味若AO1.*=-1.其数学意义为开环增益AO1.与反馈系数F的乘积的绝对值为1,但它们的相位相差180°。如果放入对数轴上，AO1.*F=-1就是O1.对数曲线与1/F对数曲线交叉时，相位差达到180°。由于一个极点意味着-45°的相移，在其10倍频处变成-90°相移，那么两个极点最大就意味着T80。的相移。如图2两极点P1.,P2所示，当AO1.曲线与1/F曲线在第二个极点P2后相交，则可能在交点处甚至还没到达交点之前，相移已经达到180°而进入振荡区。要使运放负反馈电路稳定，应当保证AO1.与1/F相交时，相移不会达到180°,甚至不超过1350°一个直观化的理解，可以认为是规划AO1.曲线与1/F曲线的零、极点,使之以小于IOdBZIO倍频的速度相交。图2负反馈放大电路模型及振荡模型2.2实际电路分析卜面是一个由0、IOV电压转0'20mA电流的单运放解决方案。这个电路的传输公式很经典，理想情况Io=Vin*(R2<R1*R5),I。与Vin成线性关系，能够很好地实现电压电流转换，I1.另好处是成本能做到很低廉。但仔细观察，其输出反馈接到反相端的同时，也反馈到正相湍，运放输出端接47Oa后到三极管的她极，意味着又接了一个大限抗器件然后才到负载端，并且负载端容性负载也较火，这就需要好好思考稳定性问题了。因为任何运算放大器,其开环增益AO1.本身自带个极点P1.,所以分析稳定性，关键要分析电路有没有第二个极点P2,以及第二个极点P2的频率位置,第二个极点越靠前，发生在低频处,则越容易振荡。图3实际电压转电流原理图及等效原理图上图右图中，把Q1.用等效模型替代后，可以很清处地看到，电路是有第二个极点的，极点的位置如下。从程定性而言，本电路要解决两个问题，为初步确定第二极点P2的位置，从上述公式可以看到，因为Rbe是三极管B、Ybe(on)的函数，也是Io的函数，和Vbe(on)可以通过三极管的数据手册查到，但是两个参数都不是唯一，这种情况下可以考虑最严酷的情况，即三极管B、Vbe(on)取最大值，而Io取最小值，这样Rbe应当远大于R1.,P2基本由R1.与C1.决定。'20m输出阻性负我般不会大于IKQ,就以最大值IKQ计算，那么得到这个电路最旅近低频的P2大致为1/(2*11*R1.*C1.)=3.4Khz.第二个问题是消除第二个极点带来相移T80。的影响。根据AO1.波特图曲线与1/F波特图曲线关系的不同，有多种相适应的方法进行稳定性设计，如在Ao1.第二个极点之后产生一个零点，或者使1/F在远小于AO1.第二个极点频率处产生一个零点，抬高1/F,然后再产生一个极点，使之与Ao1.在20dB10倍频的斜率处相交，等等。这里因为已知P2很小，推荐使用在1/F曲线上直接产生个极点，使其与AO1.曲线相交时,差值为TodB/10-(-20dB10),这样仍然是-20dB10倍领的速度,先算出1/F的表达式，如下：那么产生极点的方法为在Ri上并联个电容。图4稳定性设计原理图并联电容C1.后，1/F的极点频率公式为：1/F的极点原则上在AO1.的极点P2到10倍的P2之间，因为R4=100KQ,AO1.的极点P2为3.IKhz,这样算出来C1.的范围大致在47pF470pF之间。3运放稳定性仿真评估很多的山!电路，其实并不并格需要仿爽来模拟，因为理论计卯或者经验已经把性能摸得很透。但是振荡的特性是不确定的，就如桎定的状态只有一种，但是不稳定的状态可能有千万种。仿真模拟就是解决这种不确定性的有效方法，同时，在稳定性分析方面，仿真模拟还有以下优势.0为理论分析把关经过理论分析，设计者应当有一种猜想，就是大概到什么频段，如果没有导入稳定性设计，则系统会振荡。仿真模拟通过反推的方式来证明理论分析的正确性。如本电压转电流的电路,如果第二极点频率为3.IKhZ,则从3.4KhZ到34Khz及以上，相移会逐步增大直到180°,引起振荡。而实际上，在一定条件下本电路确实在低于34KhZ时就有振荡产生。图5振荡仿真波形图0为关键器件选型提供依据理论分析中，虽然采用模型化、参数化的方式解择了一些普遍的道理，但实际真的就与理论严丝合缝吗，恐怕不见得。理论分析中，为了简化起见，常常先抓主要模型，主要参数，有些参数因此被忽略.如本例中，运算放大器AO1.和反馈系数倒数1/F的实际曲线放在J'次要位置，而:极管的B、Vbe(on)参数也简化而被忽略。而最终，我们总要从种类繁多的运放和二：极管中选出一个型号来为产品所用，去研究数据手册诚然不错，但抱歉的是，这些参数对稳定性分析到底会带来多大误差，还是未知数。仿真就是在这些产品中加了一把筛子，只有不被梗定性指标漏下去的才是可选项。0为改善方案选择最优化参数提出仿其评估的必要性，另一目的是为理论难以分析或者过于更杂的地方做必要的补充。运放稳定性的仿真与一股信号传输的仿真还是有些不同，它不能仅是把spj£e模型调出来而已，而应当要考虑到一些PCB板级的因素，比如要号虑分布参数的影响。运放输入输出用脚上的分布网抗、分布电容可能会产生额外的零、极点，电缆长度的不同，造成附加负载电容的变化，也会影响第二极点的位置。实例中，经过仿其，在考虑运放引脚分布电容直到20pF,输出负载电容增加到IuF.运放选用I.M224,三极管选用2SC3613,在C1.=100pI'的情况下，系统能够稳定的工作。4运放桎定性测试验证实际的产品，还包含了谴性质量因素、不同厂家因素、生产因素、与其他产品接口等各环节，通过实测来盖棺定论，这对任何参数都是公平的。实测的另外一个优势是可以采取多种组合测试，加严测试条件。如本例中除了在常温卜测试，还可以在高、低温卜.，加大容性负载条件F,在满负载或者用户端短路的情况下测量是否还有振荡的情况发生，而验证设计裕员的充足性。值得注意的是，涉及到稳定性，即使是直流模拟疥领域，测武工具也不仅限万用表，而更应当用示波器去看看信号的实际波形。振荡的消除与否，应当总能够通过某项或某几项指标表现出来，而对使用者提供更差或者更好的性能.直潦精密领域，用户通常会对精度、线性度等性能指标非常较久，而供应商提供产品时，其大都基于大量的测试数据和结合理论计算，一个产品才能把他的参数指标公布与众。如卜.表实测数据所示，进行稳定性设计之前和之后，能使模拟量精度、线性度的指标提高5倍。图6C1.开路及C1.=100PF电流测试数据5结语已经知道，即使在负反馈电路中，当A01.*F=-1时，电路也会不稳定，这是因理论而兼得的.如果现实世界中，M)1.*F永远不等于T,则根本不需要稳定性分析。问题是，我们的现实环境不是如此“首先，运放AO1.波特图本身表现为一阶低通漉波器的特性,并且由于运放输出阻抗的存在，而负载又有容性，或者系统总是存在分布电容，导致AO1.有附加的第二个极点。而我们的输入信号永远存在着噪声和干扰，不管是直流还是交流应用，这些干扰都在需要的的信号上受加。当噪声和干扰须率高于01.的第二个极点时，意味着相移能达到一180°.意味着AO1.*F有可能等于T，这样不稳定就产生本文依据个实际电路,提册理论分析、仿真评估相互印证而乂相互补充的方法来进行稳定性设计，最后用测试手段来完成验证的一种思路.这种思路提醒设计者对稳定性保持敏感，使设计提前导入稳定性的预防措施，有效管控设计风险，提供产品更佳的性能。