运放稳定性连载4:运放网络,SPICE分析(1)

作者:Tim Green,德州仪器公司

2.0 引言

本系列第2部分将着重分析运放电路(尤其是两种常见运放网络)的稳定性。重要的是必须在进行SPICE 仿真前先进行1 阶分析(主要用您的经验来进行人工分析)。请记住,如果您不掌握仿真前看到的东西,则电路仿真程序将导致GIGO(“垃圾进垃圾出”)。我们将用SPICE 环路增益测试法来进行,以便绘制Aol 曲线、1/β曲线及环路增益曲线的波特图。另外,我们还将采用易于构建的运放交流SPICE 模型,以便对任何运放电路的交流稳定性进行快速分析。

在本系列中,我们将采用称为TINA的通用SPICE仿真软件来分析运放电路的稳定性并给出相应的结果。通常将此软件称为Tina SPICE,您可以在
www.designsoftware.com 上找到它的各种版本。尽管所给出的一些SPICE技巧是针对TINA的,但您也会发现,您采用的其他SPICE软件也可从这些技巧中获益。

2.1 SPICE 环路增益测试

图2.0 为SPICE 环路增益测试的详细示意图。LT 提供一个直流闭环电路,因为每一个交流SPICE 分析都要求有一个直流SPICE 分析。在进行交流SPICE 分析时,随着频率增加,CT 将逐渐变成短路而LT 将逐渐变成开路,因此,可用一个SPICE 程序来运行所有有关运放交流稳定性的信息。利用图2.0 给出的公式,很容易从SPICE后处理上得到运放Aol、环路增益以及1/β 幅度与相位曲线。尽管有其他一些方法可用来“打破环路”并用SPICE 来进行交流分析,但图2.0 所示方法证明是一种误差最小以及在SPICE 中造成数学差别最小的方法。

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图2.0 SPICE 环路增益测试

图字:
运放Aol 增益=dB[VM(2)/VM(1)]
运放Aol 相位=[VP(2)-VP(1)]
环路增益=dB[VM(3)/VM(2)]
环路增益相位=[VP(3)-VP(2)]
1/β=dB[VM(3)/VM(1)]
1/β 相位=[VP(3)-VP(1)]。

2.2 运放网络与1/β

图2.1 给出了两种常见的运放网络——ZI 与ZF。我们将首先单独对这两种网络进行1 阶分析,如果与我们的预测
结果一致,则再用Tina SPICE 来对运放电路进行仿真与验证。1 阶分析的关键是采用我们在本系列第1 部分中介
绍的直观器件模型与少许直觉。(理论模型在分析中非常重要)


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图2.1 两种常见运放网络:ZI 与ZF

图字:ZI 输入网络、ZF 反馈网络。

2.2 ZF 运放网络

让我们先对图2.2 所示ZF网络进行1 阶分析。这是一个运放电路中的反馈网络,其中Cp在低频上为开路,且低频
1/β变成如图所示的简单RF/RI。
而在其他极端频率上(例如高频),Cp为短路且高频1/β变成(Rp//RF)/RI。但当
Cp短路时,由于Rp反馈路径中有一个电抗元件——电容,因此我们知道在传输函数中的某处必定有几个极点和/或零点。在Cp量值与并联阻抗量值相匹配的频率上(这里RF占优势),我们可以预计在1/β曲线上会有一个极点。反馈电阻将变小,因此VOUT必定开始减小。现在,在Cp量值与串联电阻Rp量值相匹配的频率上,我们预计会有一个零点,因为随着Cp接近短路,净反馈电阻将不再变小,而VOUT则会随频率的增加而变得平坦。因此通过1 阶分析我们可以预测出现极点与零点位置以及低频与高频1/β幅度。

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图2.2 对 ZF 网络的1/β 1 阶分析

图字:
♦ 1/β 低频=RF/RI=100 → 40dB
Cp=在低频上开路
♦ 1/β 高频=(Rp//RF)/RI≈10 → 20dB
Cp=在高频上短路
♦ 当Xcp 值=RF 时,1/β 上有极点
Xcp 值=…..
fp=……=1kHz
♦ Xcp 值=Rp 时,1/β 上有零点
fz=....... =10kHz

为验证1 阶分析,我们用Tina SPICE 构造的ZF 分析电路示于图2.3 中。VIN 设置为直流0V,交流源选项则选择为将交流幅度设置为1。我们的交流分析设置成从10Hz 至10MHz,并要求保留100 个数据点与幅度/相位数据点用于后处理。为进行“SPICE 环路增益测试”,我们采用了带方便电压检测点(N1、N2 及N3)的L1、C1 与VIN。从此电路上,我们可看出:Aol = N2/N1 及1/Beta = N3/ N1。

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图2.3 用于ZF 分析的Tina SPICE 电路

Tina SPICE 仿真的“默认结果”如图2.4 所示。没有像我们感兴趣的ZF 1/Beta 曲线与运放Aol 曲线那么有用。

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图2.4 用于ZF 分析的Tina SPICE 默认结果

因此为获得所期望的曲线,我们将执行如图2.5 所示的“后处理计算”。用户自定义函数Aol 被指定为计算公式
N2/N1(用于Aol 曲线),而Beta1(只所以采用这个代号是因为Tina SPICE 中不认1/Beta)则被指定为计算公式N3/N1(用于1/Beta 曲线)。

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图 2.5 用于ZF 分析的Tina SPICE 后处理计算

现在我们得出如图2.6 所示用于Aol 及Beta1 的计算结果。通过在右击我们不再需要的幅度与相位图中的每一个波形(例如N1、N2 及N3),我们能清除所得到的曲线窗口并删除这些不需要的波形。经过这种清理后,再右击每一条曲线的Y 轴并选择“默认范围”。到目前为止,除我们的曲线不熟悉以及没有使其容易看到20db/decade幅度斜线及45°/decade 相位斜线的刻度外,一切都很好。

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图 2.6 Tina SPICE 默认定标———用于ZF 分析的后处理

如图2.7 所示,有一个“频率再定标”技巧可使我们能方便地在x 轴上得到频率的最佳十倍频程分辨率。右击x轴并选择“属性”,将弹出一个窗口。现在选择用于定标的正确“滴答”数的奥秘是计算所绘出的频率范围种的十倍频程数并加1。如上所述,对于10Hz -10MHz 的频率范围,有6 个十倍频程(亦即:10 至100、100 至1k、1k 至10k、10k 至100k、100k 至1M 以及1M 至10M)。现在频率轴看起来就像是我们熟悉的半对数曲线。

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图 2.7 ZF 分析的Tina SPICE 频率再定标

图字:右击X 轴,选择“属性”、滴答数=十倍频程+1、例如10Hz-10MHz=6 个十倍频程、滴答数=6+1=7现在,我们希望对幅度曲线的y 轴进行再定标,以获得更加熟悉的20dB/格刻度。我们的“增益再定标”技巧如图2.8 所示。右击y 轴并选择“属性”,将弹出一个窗口。现在选择用于定标的适当“滴答”数的奥秘是,先将“下极限”设置为最近,即使增加20dB 也小于所示的默认“下极限”。然后再将“上极限”设置为最近,即使增加20dB 也大于所示的默认“上极限”。从新的“下极限”上减去新的“上极限”并除以20。将结果加1,我们即算出了获得我们熟悉的20dB/格y 轴定标所需的适当“滴答”数。

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图2.8 ZF 分析的Tina SPICE 增益再定标

图字:右击y 轴然后选择“属性”、下极限=最近20dB< 最小增益(例如 -20dB< 最小增益)、上极限=最近20dB> 最大增益(例如 120dB>最大增益)、滴答数=(上极限-下极限)/20+1、滴答数=[120-(-20)]/20+1=8此外,为便于对相位曲线读数,我们将y 轴再定标为更为熟悉的45°/格刻度。我们的“相位再定标”技巧如图2.9所示。右击y 轴并选择“属性”,将弹出一个窗口。现在选择用于定标的适当“滴答”数的奥秘是,先将“下极限”设置为最近,即使增加45°也小于所示的默认“下极限”。然后再将“上极限”设置为最近,即使增加45°也大于所示的默认“上极限”。从新的“下极限”上减去新的“上极限”并除以45。将结果加1,我们即算出了获得我们熟悉的45°/格y 轴定标所需的适当“滴答”数。

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图2.9 ZF 分析的Tina SPICE 相位再定标

图字:右击y 轴然后选择“属性”、下极限=最近45°< 最小相位(例如 -90°< 最小相位)、上极限=最近45°> 最大相位(例如 +180°>最大相位)、滴答数=(上极限-下极限)/45+1、滴答数=[90-(-90)]/45+1=5ZF 最佳定标Tina SPICE 仿真结果示于图2.10。紫线表示我们的1 阶分析预测。游标设置成偏离低频1/Beta -3dB 处与偏离高频1/Beta +3dB 处的精确幅度差。1 阶分析结果与预测虽然不精确,但肯定优于强大及直观的交流稳定性分析结果。

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图2.10 ZF 分析的Tina SPICE 最佳定标结果

图字:紫线=1 阶分析

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