在上一章中,我们通过一个经典的例子来实际演示了如何使用闭合速度法来分析和补偿系统,但是,我们的分析过程依然是一个比较理性化的过程,在一些关建参数上,我们的取值依旧是一个比较理想化的取值,这样就会导致在分析过程中,缺失了一些重要的零极点,这会导致我们实际的电路与计算存在较大的差别,尤其是某些大功率的设备。
如果大家按照上一章的思路来进行计算和补偿,那么在某些电路中,你可能会发现,补偿完毕后,系统的相位裕度有50多度,但是一旦上电,整个系统都变得极不稳定,与计算值相差巨大,这个就是我们在计算时将某些参数理想化后的结果。
接下来,我们就来分析一下缺失了哪些重要的部分。
1、运放的输出电阻Ro
在分析中,我们取运放的输出电阻是200Ω,因为运放的输出电流很小,OP07的输出电流极限也就二十多mA,取200Ω,输出电阻再怎么偏差也不会偏差多少。在大部分初学者的接收到的知识中,运放的输出阻抗是非常小的,这种说法其实也没问题,运放的输出阻抗确实小,只不过这是运放的闭环输出阻抗。
运放的闭环输入出阻抗可以大致等于运放的开环输出阻抗/运放的开环增益
而我们在环路分析中需要使用的是运放的开环输出阻抗Rout,这个值,有些运放的手册会标明,例如TI的OPA333
OPA313
运放的开环输出阻抗对于大部分的普通运放,都不低,在kΩ级别。
而且运放的开环输出阻抗也是随着频率变化的。不同的运放的输出电阻曲线不同,有些运放的手册会写出运放的开环输出阻抗曲线,但是有些运放只会放出闭环输出阻抗曲线,开环输出曲线就大致等于闭环输出曲线/运放开环增益曲线。
例如ADI的AD8542芯片,它的闭环输出阻抗比较平滑,但是超过4MHz后,阻抗剧烈下降。
而TI的LMV844特性则不同,他没有AD8542的阻抗骤降阶段,但是,他的曲线却不够平滑,存在多个不同的曲线速度。
尽管这两个运放都具有0dB稳定性,但是只要有运放输出阻抗Ro构成的电路,修改运放后,系统的相位裕度是会收到影响的,这也就是为什么,有些电路,替换运放后,明明替换的运放偏置电流,电压这些指标还要好一点,但是电路莫名其妙的干扰变大的原因。
解决办法有两种,跟上一章一样,要么消除运放输出电阻Ro,例如在加一级设计跟随器,或者缓冲电路之类,把Ro消除,这也就是很多电路常用的方法。
还有就是跟据运放的输出特性加,RC阻容器件补偿,这个就需要针对运放来了,而且替换运放时还需要这些器件是否需要调整,总之,是一件比较麻烦的事。
运放的开环输出阻抗Rout就不是一个固定的值,使用闭合速度法就很难直观的计算出Rout导致的零极点频率,所以,这也是前一章分析的重要误差,关于运放的开环输出阻抗我会在接下来的章节详细介绍,这里就不过多赘述了。
2、运放引脚的杂散电容
大家在学习模电的时候,在运放的那一节,很多资料都写了,要注意运放的杂散电容,都要求运放底部不要覆铜,以求尽可能的降低杂散电容,理由是杂散电容会引起系统的不稳定,但是怎么影响的却没有详细的说明。
以一个同向放大电路为例,运放负端输入的杂散电容CF,设定R1=1kΩ,R2=9kΩ
反馈增益则由R1,R2,CF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:
运放,还是使用OP07,这样画出伯德图
可以看到,要想系统处于一个比较理想的状态,CF电容最好在0.15nF以下,当然,由于零点是由R1和CF组合产生的,想要提高CF的容许范围,也可以把R1减小。
当然,这里我只单独考虑了运放负端的杂散电容,运放的正端输入引脚,运放的输出引脚,都会有杂散电容,具体的分析这里就不写了,大家可以自行分析一下。
同样,有些运放的同向输入端会串一个电阻,按理说运放的同向输入端阻抗很大,串个几十k的电阻意义是什么,也有平衡杂散电容的存在。
3、电容
我们一般在电路上使用的电容,种类繁多,MLCC,独石,电解,瓷片。不同种类的电容特性也不同,这里我们就单独讲一下MLCC,MLCC在电路板上十分的常见,
首先,电容肯定不是理想的,实际的电容可以等效为,理想电容C+等效串联电阻ESR+等效串联电阻ESL+绝缘电阻。
C,ESR,ESL他们会收到很多因素影响,首先是直流偏置的影响,而影响的大小又跟电容的封装有关,例如C3216X5R1E106K085AC和C2012X5R1E106K085AC都是10uF,25V,X5R的电容,只不过是一个1206封装,一个是0805封装,但是他们有效容值曲线就不相同。
从曲线图可以看到,直流偏置在5V的时候,1206封装(C3216X5R1E106K085AC)的有效容值还有8.4uF,而0805封装(C2012X5R1E106K085AC)的就只有4.25uF了。
同样,ESR和ESL都会收到影响
相同的,标称值10uF的MLCC,耐压值,系列,材质不同,这些特性都不相同,所以不要以为原理图上写的100nF,那么我画的电路板的时候,库房随便找个100nF的电容放上去就行了,一定要考虑电路的实际作用。
这里提一个我实际遇见的案例,原来我使用过一个心电采集芯片,是个非常小的厂做的,跟厂家技术人员交谈的时候,厂家那边明确表示该芯片外围电容使用0402的电容会有问题,系统不稳定,噪声啊,厂家要求一定要电容一定要使用0603以上的。这个其实就是上面的说的现象,不同的封装,电容的特性是不同的。
此外,还有运放的输入电阻,外部的电阻器件,走线的过孔,这些会带来一些影响,但是相对来说影响会小很多,这里就不提了。
大家看了上了的过程,也能看到,有些比较重要的影响因素是比较难加入到计算过程中的,这样使用闭合速度法就不太好分析了,这也是闭合速度法的缺陷,所以大家用的也不算多,在下一章呢,我们来学一下使用仿真软件来判断系统的稳定性,这种方法可以大大提升我们计算的准确性。当然,有人肯定说老前辈教导过仿真不准,那是因为本来的建模的就不准,以前很多人仿真,是不管器件是不是符合真实特性的,走线的寄生电容不加,运放的模型错误不管,那能与实物相同就怪了。只要我们模型准确,仿真软件其实是个非常方便且实用的东西。