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运放稳定性
第 1 部分(共 15 部分):环路稳定性基础
作者:Tim Green,TI 公司 Burr-Brown 产品战略发展经理
1.0 引言
本系列所采用的所有技术都将“以实例来定义”,而不管它在其他应用中能否用普通公式来表达。为便于进行稳
定性分析,我们在工具箱中使用了多种工具,包括数据资料信息、技巧、经验、SPICE 仿真以及真实世界测试
等,都将用来加快我们的稳定运放电路设计。尽管很多技术都适用于电压反馈运放,但上述这些工具尤其适用于
统一增益带宽小于 20MHz 的电压反馈运放。选择增益带宽小于 20MHz 的原因是,随着运放带宽的增加,电路中
的其他一些主要因素会形成回路,如印制板 (PCB) 上的寄生电容、电容中的寄生电感以及电阻中的寄生电容与电
感等。我们下面介绍的大多数经验与技术并非仅仅是理论上的,而且是从利用增益带宽小于 20MHz 的运放、实际
设计并构建真实世界电路中得来的。
本系列的第 1 部分回顾了进行稳定性分析所需的一些基本知识,并定义了将在整个系列中使用的一些术语。
9 Data Sheet Info
9 Tricks
9 Rules-Of-Thumb
9 Tina SPICE Simulation
9 Testing
Goal: EASILY
Tricks & Rules-Of-Thumb apply for Voltage Feedback
Op Amps, Unity Gain Bandwidth <20MHz
To learn how to analyze and design Op Amp
circuits for guaranteed Loop Stability using Data Sheet Info,
Tricks, Rules-Of-Thumb, Tina SPICE Simulation, and Testing.
Note:
图 1.0 稳定性分析工具箱
图字(上、下):
数据资料信息、技巧、经验、Tina SPICE 仿真、测试;
目的:学习如何用数据资料信息、技巧、经验法则、Tina SPICE 仿真及测试来“更容易地”分析和设计运放,以确保环路稳
定性;
注:用于统一增益带宽小于 20MHz 的电压反馈运放的技巧与经验法则。
1.1 波特图(曲线)基础
幅度曲线的频率响应是电压增益改变与频率改变的关系。这种关系可用波特图上一条以分贝 (dB) 来表示的电压增
益比频率 (Hz) 曲线来描述。波特幅度图被绘成一种半对数曲线:x 轴为采用对数刻度的频率 (Hz)、y 轴则为采用
线性刻度的电压增益 (dB) ,y 轴最好是采用方便的每主格 45°刻度。波特图的另一半则是相位曲线(相移比频
率),并被描绘成以“度”来表示的相移比频率关系。波特相位曲线亦被绘成一种半对数曲线:x 轴为采用对数
刻度的频率 (Hz)、y 轴为采用线性刻度的相移(度),y 轴最好是采用方便的每主格 45°刻度。
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0
20
40
60
80
100
10M1M100k10k1k100101
Frequency (Hz)
A (dB)
Aol Curve
+90
-90
+45
+-45
10 100 1k 10k
100k 1M 10M
Frequency
(Hz)
0
图 1.1 幅度与相位波特曲线(图)
图字(上、下):Aol 曲线、幅度曲线、频率、相位曲线。
幅度波特图要求将电压增益转换成分贝 (dB) 。进行增益分析时,我们将采用以dB(定义为 20Log
10
A)表示的电
压增益,其中A为以伏/伏表示的电压增益。
图 1.2 幅度波特曲线分贝(dB) 定义
θ
(degrees)
Magnitude Plot
Phase Plot
A A = Voltage Gain in V/V
A (V/V)
dB Æ A(dB) = 20Log
10
where
01
2010
40100
601,000
8010,000
100100,000
1201,000,000
14010,000,000
-200.1
-400.01
-600.001
A (dB)
01
2010
40100
601,000
8010,000
100100,000
1201,000,000
14010,000,000
-200.1
-400.01
-600.001
A (dB)A (V/V)
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图 1.3 定义一些常用的波特图术语:
• Roll-Off Rate
• Decade Æ
•OctaveÆ
Æ Decrease in gain with
frequency
x10 increase or x1/10 decrease
in frequency. From 10Hz to 100Hz is
one decade.
X2 increase or x1/2 decrease in
frequency. From 10Hz to 20Hz is one
octave.
图 1.3 更多波特曲线定义
图字(上、下):roll-off rate(下降速率)——增益随频率减小;decade(十倍频程)——频率按 x10 增加或按 x1/10 减小,
从 10Hz 到 100 Hz 为一个 decade(十倍频程);octave(倍频程)——频率按 x2 增加或按 x1/2 减小,从 10Hz 到 20 Hz 为
一个 octave(倍频程);
在电压增益波特图上,增益随频率变化的斜线可定义成按 +20dB/decade 或-20dB/decade 增加或减小。另一种描
述同样斜线的方法是按 +6dB/octave 或 -6dB/octave 增加或减小(参见图 1.4)
以下推导证明了 20dB/decade 与 6dB/octave 的等效性:
∆A(dB) = A(dB) at fb – A(dB) at fa
∆A(dB) = [Aol(dB) - 20log10(fb/f1)] – [Aol(dB) - 20log10(fa/f1)]
∆A(dB) = Aol(dB) - 20log10(fb/f1) – Aol(dB) + 20log10(fa/f1)]
∆A(dB) = 20log10(fa/f1) – 20Log10(fb/f1)]
∆A(dB) = 20log10(fa/fb)
∆A(dB) = 20log10(1k/10k) = -20dB/decade
∆A(dB) = 20log10(fb/fc)
∆A(dB) = 20log10(10k/20k) = -6db/octave
-20dB/decade = -6dB/octave
因此:
+20dB/decade = +6dB/octave -20dB/decade = -6dB/octave
+40dB/decade = +12dB/octave -40dB/decade = -12dB/octave
+60dB/decade = +18dB/Octave -60dB/decade = -18dB/Octave
0
20
40
60
80
100
10M1M100k10k1k100101
Frequency (Hz)
-20dB/Decade
-6dB/Octave
20k
f1
fa
fb
fc
54
Aol
B )
A (d
图 1.4 幅度波特图:20dB/decade = 6dB/octave
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极点Æ 单个极点响应在波特图(幅度或增益曲线)上具有按 -20dB/decade或 -6db/octave斜率下降的特点。在极
点位置,增益为直流增益减去 3dB。在相位曲线上,极点在频率f
P
上具有-45°的相移。相位在f
P
的两边以 -
45°/decade的斜率变化为 0°和 -90°。单极点可用图 1.5 中的简单RC低通网络来表示。请注意极点相位是如何影
响直到高于(或低于)极点频率 10 倍频程处的频率的。
R
C
V
IN
V
OUT
A = V
OUT
/V
IN
Single Pole Circuit Equivalent
X100,000
+90
-90
+45
+-45
10 100 1k 10k
100k 1M 10M
Frequency
(Hz)
0
θ
(degrees)
-45
o
@ f
P
-45
o
/Decade
-90
o
0
o
0
20
40
60
80
100
10M1M100k10k1k100101
Frequency (Hz)
A (dB)
-20dB/Decade
-6dB/Octave
f
P
G
0.707G = -3dB
Actual
Function
Straight-Line Approximation
¾ Pole Location
¾ Magnitude
¾ Phase
= f
P
= -20dB/Decade Slope
Slope begins at f
P
and continues down
as frequency increases
Actual Function = -3dB down @ f
P
= -45°/Decade Slope through f
P
Decade Above f
P
Phase = -90°
Decade Below f
P
Phase = 0°
图 1.5 极点:波特曲线幅度与相位
图字:实际函数、直线近似、频率; 单极点电路等效电路图
极点位置= f
p
幅度= -20dB/decade 斜线
- 斜线从f
P
处开始、并继续随频率增加而下降
- 实际函数= -3dB down @ f
p
相位= -45°/decade斜率通过f
p
- f
p
以上 10 倍频程处相位= -90°
- f
p
以下 10 倍频程处相位= 0°
零点Æ 单个零点响应在波特图(幅度或增益曲线)上具有按 +20dB/decade或+6db/octave斜率上升(对应于下
降)的特点。在零点位置,增益为直流增益加 3dB。在相位曲线上,零点在其频率f
z
上具有+45°的相移。相位在f
z
的两边以+45°/decade斜率变化为 0°与+90°。单零点可用图 1.6 中的简单RC高通网络来表示。请注意零点相位是
如何影响直到高于(或低于)零点频率 10 倍频程处的频率的。
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+90
-90
+45
+-45
10 100 1k 10k
100k 1M 10M
Frequency
(Hz)
0
θ
(degrees)
+90
o
0
o
+45
o
/Decade
+45
o
@ f
Z
0
20
40
60
80
100
10M1M100k10k1k100101
Frequency (Hz)
A (d B)
f
Z
+20dB/Decade
+6dB/Octave
Straight-Line Approximation
G
1.414G = +3dB
(1/0.707)G = +3dB
Actual
Function
¾ Zero Location
¾ Magnitude
¾ Phase
= f
Z
= +20dB/Decade Slope
Slope begins at f
Z
and continues up as
frequency increases
Actual Function = +3dB up @ f
Z
= +45°/Decade Slope through f
Z
Decade Above f
Z
Phase = +90°
Decade Below f
Z
Phase = 0°
图 1.6 零点:波特曲线幅度与相位
图字:实际函数、直线近似、频率; 单零点电路等效电路图
零点位置= f
z
幅度= +20dB/decade 斜线
- 斜线从f
z
开始、并继续随频率增加而上升
- 实际函数= -3dB up @ f
z
相位= +45°/decade斜率通过f
z
- f
z
以上 10 倍频程处相位=+90°
- f
z
以下 10 倍频程处相位= 0°
在波特幅度图上,很容易测量给定极点或零点的频率。由于 x 轴为频率的对数刻度,故这种技术允许用距离比来
准确及迅速地确定感兴趣的极点或零点的频率。图 1.7 显示这种“对数刻度技巧”。
0
20
40
60
80
100
10M1M100k10k1k100101
Frequency (Hz)
A (dB)
f
P
= ?
L
D
Log Scale Trick (f
P
= ?):
1) Given: L = 1cm; D = 2cm
2) L/D = Log
10
(f
P
)
3) f
P
= Log
10
-1
(L/D) = 10
(L/D)
L = Log
10
(fp’) x D
f
P
= 10
(L/D)
= 10
(1cm/2cm)
= 3.16
4) Adjust for the decade range
working within –
10Hz-100Hz decade Æ
f
P
= 31.6Hz
5)
L = Log
10
(3.16) x 2cm = 1cm
where fp’ = fp normalized to the
1-10 decade range –
f
P
= 31.6 Æ f
P
’ = 3.16
图 1.7 对数刻度技巧
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