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運放OPAX192環路穩定性測試與模型建立

CHANBAEK ? 來源: 電堂2018 ? 作者: 電堂2018 ? 2023-11-07 15:41 ? 次閱讀

1、 主要內容:測試OPAX192運放電路的穩定性及其模型建立

2、 PS:model test——利用數據手冊建立運放OPAX192功能模型并進行頻域仿真測試

視頻:運放OPAX192模型建立與測試76A

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運放OPAX192開環增益和相位與頻率特性曲線

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運放OPAX192開環輸出阻抗與頻率特性曲線

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測試電路及運放模型

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交流仿真設置

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幅頻域相頻特性曲線

AMPSIMP——application庫中的運放模型,更加實用,建議實際設計時使用!

Ro為運放模型的輸出阻抗,實際測試時根據實際電路進行正確設置!

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模型及參數設置——建議建立實際模型時重點使用該模型

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Laplace與AMPSIMP對比,測試功能模型與物理模型頻域特性

(Ro模擬運放輸出阻抗)

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Laplace與AMPSIMP頻率特性一致:第1個極點為1Hz,與設置值fp1一致;

第2個極點由運放輸出阻抗Ro和15pF負載電容CL決定—23Meg、28Meg

3、 PS:Large signal step——階躍響應時域測試

視頻:運放OPAX192放大電路大信號測試76B

3.1大信號階躍響應時域測試:圖39

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大信號階躍響應測試電路

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大信號階躍響應測試電路

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瞬態仿真設置

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大信號階躍響應輸入、輸出電壓波形

3.2 正階躍10V穩定時間測試:圖40

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正階躍10V穩定時間仿真電路

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瞬態仿真設置

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正階躍10V響應輸入、輸出電壓波形

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輸出與輸入差值V(VOUT1)-V(VIN1)

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正階躍10V響應:ABS(V(VOUT1)-V(VIN1))——1.4us之后誤差優于1mV

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正階躍10V響應測試波形與數據

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圖41 穩定時間(5V 正階躍)

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圖42 穩定時間(10V 負階躍)

按照上述仿真電路和方法對圖41和圖42進行測試(讀者自行測試)

4、 PS:Precision reference source——精密參考緩沖(數據手冊圖69)

視頻:精密參考源分析76C

參考:TIDU032c Capacitive Load Drive Solution using anIsolation
Resistor.pdf

輸出,并且有充足驅動電流用于瞬態變化。對于圖69 中所示的10μF
陶瓷電容器,RISO(一個37.4Ω的隔離電阻)可隔離兩個反饋路徑以實現最佳穩定性。反饋路徑1 通過RF,直接連接到輸出VOUT 端。反饋路徑2
通過RFx和CF,連接到運算放大器的輸出端。所示的對10uF 負載設計的優化穩定性組件能夠對VOUT 提供4kHz
的閉環帶寬,并且仍然提供89°環路增益相位裕量。任何其他負載電容都需要重新計算穩定性組件:RF、RFx 、CF 和RISO。

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圖69 精密參考緩沖電路

4.1 開環交流穩定性分析

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精密參考源開環頻域測試電路

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交流仿真設置

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Aol與1/Beta測試:閉合速度為20dB/dec——電路穩定工作

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環路增益與相位曲線:相位裕度83度;

但在約400Hz時相位只有8度,補償網絡應重新設計(RF1=1k)

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環路增益與相位曲線:相位裕度89度;

在約135Hz時相位為22.2度(RF1=20k)

4.2 閉環交流穩定性分析

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精密參考源閉環頻域測試電路

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交流仿真設置

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閉環-3dB帶寬約為5.6kHz(RF1=1k)

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閉環-3dB帶寬約為776Hz(RF1=20k)

提高相位裕度以犧牲閉環帶寬為代價!

4.3 時域仿真測試:輸入參考為2.5V階躍電壓信號

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精密參考源時域測試電路

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瞬態仿真設置

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輸入參考與輸出電壓波形:約2ms之后輸出誤差優于1mV

5、 PS:TIDU026——利用運放OPAX192實現擺率限制功能

實際設計運放電路時一定要帶寬與擺率同時滿足,否則輸出波形失真增大!

視頻:利用運放OPAX192實現擺率限制76D

參考文獻:TIDU026 Single Op-Amp Slew Rate Limiter.pdf

5.1 工作原理分析:閉環瞬態測試——SR=I(CF1)/CF1=(VCC/RI1)/CF1=20V/0.1s

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工作原理仿真分析電路

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瞬態仿真設置

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各點測試波形及擺率測試數據:20V/0.1s

5.2 穩定性分析:開環頻域測試

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穩定性測試電路

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RFv=1.6k:閉環速度為20dB/dec,fcl=100kHz;

電路穩定工作,但是在低頻20Hz時相位裕度太低,存在隱患

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RFv=1.6:閉環速度為40dB/dec,fcl=4.6kHz——電路不能穩定工作

5.3 穩定性分析:時域測試

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時域穩定性測試電路

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RFv=1.6k時輸出正常——電路穩定工作

輸入輸出電壓波形:輸入信號階躍變化時輸出與輸入一致,電路穩定工作

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RFv=1.6時輸出振蕩——電路不能穩定工作

輸入輸出電壓波形:輸入信號階躍變化時輸出發生嚴重震蕩

5.4 穩定性分析:閉環頻域測試

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閉環頻域測試電路

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RFv=1.6k時電路穩定工作,-3dB帶寬約101kHz

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RFv=1.6時電路不能穩定工作;

在4kHz—5kHz之間存在雙極點,相位發生180度突變

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擺幅與單位增益帶寬:測試帶寬時應使輸出信號擺幅小于限制值!

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擺幅與單位增益帶寬:測試帶寬時應使輸出信號擺幅小于限制值!

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輸入信號為100Hz、0.3V時輸入與輸出波形一致

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輸入信號為100Hz、0.3V時輸入與輸出波形一致

最大擺率:20V/0.1s=200V/s

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擺幅與單位增益帶寬:測試帶寬時應使輸出信號擺幅小于限制值!

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輸入與輸出電壓波形

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6、 PS:GBP test——閉環放大電路增益帶寬積測試——GBW=10Meg(圖17)

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增益帶寬積測試電路

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交流仿真設置

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增益Gain參數設置

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輸出電壓DB(V(VOUT))即閉環增益曲線

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Gain=1時-3dB帶寬約9.3megHz

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Gain=10時-3dB帶寬約1.2megHz

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Gain=100時-3dB帶寬約98.7kHz

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圖17 閉環增益和相位與頻率間特性曲線

7、總結:運放電路頻域環路穩定分析與時域測試一致,包括響應時間、超調等等;該運放作為精密參考緩沖電路時負載電容可設置為10uF,此時雙反饋補償網絡發揮作用;進行交流放大時,輸入信號符合帶寬的同時一定要滿足擺率限制,否則輸出信號發生畸變;實際工作時閉環帶寬與穩定域度需要匹配,帶寬增加時最小相位降低,存在不穩定隱患!

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