作者: Collin Wells? TI 高精度線性產(chǎn)品部的模擬應(yīng)用工程師

今年夏天，我有幸負(fù)責(zé)培訓(xùn)實習(xí)生“John”，幫助他排除系統(tǒng)設(shè)計項目的故障。這個經(jīng)歷讓我想起了我職業(yè)生涯中所吸取的一些重要的經(jīng)驗教訓(xùn)。

幾天前，John 在測試某個設(shè)計的瞬態(tài)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)時，獲得了一個重要發(fā)現(xiàn)：輸出信號的步長對實現(xiàn)準(zhǔn)確的結(jié)果極其重要。

在當(dāng) John 開發(fā)某個設(shè)計并需要用運算放大器來緩沖 1μF 的負(fù)載時，問題出現(xiàn)了。大部分運算放大器都無法直接驅(qū)動非常大的電容性負(fù)載，因而他不得不設(shè)計一套適合的補償方案。由于不需要輸出大電流，因此 John 在運算放大器輸出與電容器之間插入了一個串聯(lián)的隔離電阻器 (R_ISO)，用以對電路進(jìn)行補償，如圖 1 所示。

圖 1

采用 R_ISO 補償 C_LOAD

通過利用 TINA-TI（德州儀器 (TI) 基于 *** 的模擬仿真程序），我?guī)椭?John 驗證了該電路的穩(wěn)定性。在經(jīng)過簡單處理后，John 選擇了能達(dá)到 45 度相位裕度的 R_ISO?值，然后就可以在工作臺上進(jìn)行結(jié)果測試。

如果您遇到了同樣的問題，那么需要小心。大部分在仿真中測試穩(wěn)定性的高級方法通常在工作臺上并不實用。為了彌補這一問題，需要為會造成運算放大器輸出發(fā)生微小變化的系統(tǒng)輸入一個步長。

針對典型運算放大器系統(tǒng)的結(jié)果應(yīng)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的過沖和振鈴響應(yīng)，如圖 2 所示。通過測量過沖百分比，您就可利用圖 2 中的表格確定相位裕度。圖中結(jié)果顯示了 10mV 步長下的過沖為 20%，相當(dāng)于 45 度的相位裕度。

圖 2

45 度相位裕度系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)實例

理論介紹完畢后，我便讓 John 在實驗室中進(jìn)行過沖百分比的測試。

他回來后告訴我說獲得了一些造成過沖百分比測量失真的“奇怪”現(xiàn)象。他記錄的函數(shù)生成器的最小步長是 100mVpp，并為我展示了圖 3 中的結(jié)果。

圖 3

100mV 步長下的瞬態(tài)結(jié)果

他獲得的結(jié)果顯然與圖 2 中所示的響應(yīng)不同，而且無法與相位裕度相關(guān)聯(lián)。由于步長幅度是唯一的不同之處，因而我告訴他一個竅門，即維持生成器 50Ω 電阻不變，但利用 R1 和 R2 來分離輸入信號，如圖 4 所示。

圖4

采用 50Ω 輸入分離電阻修改電路

圖 5 顯示了 10mV 輸入步長下的測試結(jié)果。非常確定的是，上述的奇怪現(xiàn)象已經(jīng)不見了。我們可以利用這些結(jié)果對過沖進(jìn)行測量，并驗證設(shè)計已達(dá)到大概 ?45 度的相位裕度。

圖 5

10mV 步長下的瞬態(tài)結(jié)果

波形的線性部分及圖 3 中的奇怪尖峰都表明運算放大器存在大信號限制，例如壓擺率或輸出電流限值。當(dāng)對運算放大器系統(tǒng)執(zhí)行基于過沖百分比的穩(wěn)定性測試時，輸出變化必須非常小，否則運算放大器的大信號限制性就會造成結(jié)果失真。

John 從中學(xué)到了重要的一課。如果輸出限制在測量過程中改變了步長，那么結(jié)果就會出現(xiàn)異常，而且無法與相位裕度相關(guān)聯(lián)。

您在下一次測試運算放大器的穩(wěn)定性時，在工作臺上進(jìn)行過沖百分比測試的過程中需要將輸出變化范圍控制在 10 至 20mV 之間。這樣就能確保輸出小信號。如果結(jié)果不連續(xù)或無法使用，則可考慮執(zhí)行交流增益／相位掃描。

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