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如何使用伯德图进行电路稳定性分析(2)-简易判断方法闭合速度法

经过上一章,相信有不少朋友已经看出来了,对于运放构成的这种负反馈电路,稳定性判断的关键在于,输入信号Vin经过Aol,再经过F,相较于输入信号有多少相位差,即相位裕度。

这里先来介绍一种简单的判定方法,闭合速度法,这种方法是一个非常常见和简单的方法,在比较简单的系统中,只需要计算几个零极点,就可以判断系统的稳定性,接下来我将通过一个实例,来为大家讲解该方法的使用以及该方法的缺点。

1、环路增益

这里,先提一个概念,环路增益,上面我们知道,输入信号Vin会经过系统开环增益Aol,再经过反馈增益F,返回到系统的输入端,这样,在系统的负端输入相较于输入信号Vin也存在一个增益,Aol*F,这个就叫做环路增益。

所以,只要绘制出环路增益的伯德图,就可以判断系统的相位裕度与稳定性,例如,再上一章,我们判断OP07构成的跟随器是否稳定,绘制就是环路增益的伯德图,只不过由于F=1,所以他的环路增益等于OP07的开环增益。

但是,往往实际的系统并不会这么简单,往往一个运放周围,是存在电阻电容构成的各种反馈电路,同时,运放的开环传递函数数据手册也不会写明,只会标明开环增益图,因此,即便是简单的运放电路,想要通过计算系统的传递函数来绘制伯德图,也是比较麻烦的。

使用闭合速度法,其原理就是将环路增益拆成几个单独的部分,将乘法变成减法,幅频特性曲线图中的纵坐标单位是dB,20log(G),在对数运算中,log(a*b)=log(a)-log(1/b)。所以,环路增益20log(Aol*F),变换后可以得到:20log(Aol*F)=20log(Aol)-20log(1/F)。

这样,在伯德图上,只需要画出开环增益Aol和反馈系数倒数1/F的曲线,两者相减,就能得到环路增益,这样就可以简化分析过程。由单只运放构成的系统,Aol就是运放的开环增益,这样运放的开环增益曲线是固定的,只需要看数据手册就可以了,1/F就可以单独绘制了,在幅频特性曲线上,两条曲线相减就是环路增益(Aol*F)的曲线。

2、闭合速度法

一旦我们在伯德图上绘制出了Aol 和 1/F,就可以使用被称为“闭合速度” 的简单一阶稳定性检查法。这种闭合速度稳定性检查,定义为 1/F 曲线与 Aol 曲线在 交点(fc) 上的“闭合速度”。

40db/decade 的闭合速度意味着不稳定,因为它意味着在 fcl 以前有两个极点,而这可能意味着 180°的相移。下图给出了 4 个例子,并将其各自的闭合速度计算如下:

Fc1:Aol-1/F1=-20dB/decade-+20dB/decade=-40dB/decade

Fc2:Aol-1/F2=-20dB/decade-0dB/decade=-0dB/decade

Fc3:Aol-1/F3=-40dB/decade-0dB/decade=-40dB/decade

Fc4:Aol-1/F4=-40dB/decade-(-20dB/decade)=-20dB/decade

这样判断的依据是第二极点在不在0dB线,以绿色曲线1为例,1/F1在1kHz处产生了一个零点f01,由于零点f0在与Aol相交前就产生,所以1/F1和Aol的闭合速度是40dB/decade。

红色曲线Aol-绿色曲线1/F1=环路增益曲线Aol*F1

这样,环路增益Aol*F1的第二极点在0dB线之上,一个极点会带来90°的相移,而极点频率处的相移是45°。第二极点频率是1kHz,所以在1kHz处,Aol*F1的相移就是135°,0dB线的频率是2kHz,这样系统的相位裕度只有22°左右,系统的相位裕度太低。

接下来,举一个简单的例子,依旧使用OP07运放,搭建一个同向放大电路,R1=1kΩ,R2=9kΩ,在R1上并联一个100nF的电容C1,如下图所示,我们来判断这个电路的稳定性怎么样。

由于输出Vo与输入Vin之间只有一个运放,因此系统的开环增益就是运放的开环放大倍数Aol,反馈增益则由R1,R2,C1构成,所以得到反馈增益F:

取倒数,得到1/F的增益:

可以看出,1/F存在一个零点,计算得到零点频率:

1/F的直流增益是:

绘制伯德图,运放OP07的开环增益根据数据手册来绘制,然后绘制出1/F的曲线

可以看出,闭合速度达到了40/decade,系统是不稳定的,接着,在绘制出环路增益Aol*F的曲线,来看一下为什么他会不稳定,绘制Aol*F就比较简单了,两根曲线相减就可以得到:

可以看到,环路增益上产生了一个新的极点,这个极点在0dB线之上,频率是1kHz,在1kHz的时候,环路增益的相移是135°,在上一章我们讲过极点的特征,极点会带来90°的相移,在极点频率处的相移是45°,相位在极点频率处的两边以 -45°/decade的斜率变化为 0°和 -90°。

所以在10kHz的时候,环路增益的相移就是180°,但是,环路增益为0dB时的频率就是8kHz,这个就意味着环路增益在0dB时的相移是175°左右。

上一章,我们说到,判定系统稳定的方法是,环路增益在0dB时的频率上,相移小于180°,同时距离180°的差值≥45°。

现在,这个系统的在0dB时的频率上,相移175°,小于180°,但是距离180°的差值只有5°,所以,这个系统就可以判定为不稳定。

以上,就是判断系统是否稳定的简易方法——闭合速度法。

 3、电路中常见的补偿措施

在我们平常非常常见的电路中,都存在很多用于给电路提供补偿的电容电阻。例如,某些AMS1117LDO会要求输出使用钽电容,用于给内部增益提供补偿。

有些开关电源芯片的上,会有一个专门接补偿元件的引脚,以TI的TPS5433为例,他的COMP引脚就是专门用来接补偿元件的,但是手册上却没有取值的具体计算过程。

还有就是在DCDC电路中,反馈电阻上有时会并上一个电容,大家一般把这个电容叫做前馈电容。

这些,都是比较常见的电路稳定性补偿措施,在下一章,我将结合一个具体的例子,来为大家演示一下具体的计算和分析过程,以及根据计算结果来选定相应的补偿措施。

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