SPICE-моделирование устойчивости ОУ

15 января

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Программы SPICE-моделирования являются полезным инструментом, помогающим обнаруживать потенциальные проблемы с устойчивостью схем усилителей. Рассмотрим один конкретный пример.

На рисунке 35 показан типовой неинвертирующий усилитель на базе OPA211 с несколькими незначительными типовыми особенностями. Звено R3 – C1 является входным фильтром. R4 – выходной резистор для защиты от коротких замыканий на выходе. Конденсатор CL имитирует пятифутовый кабель.

Рис. 35. Неинвертирующий усилитель с некоторыми типовыми особенностями

Рис. 35. Неинвертирующий усилитель с некоторыми типовыми особенностями

Анализ отклика системы на воздействие прямоугольного или ступенчатого сигнала является самым быстрым и простым способом поиска возможных проблем с устойчивостью. На рисунке 36 показана моделируемая схема. Можно заметить, что вход схемы притянут к земле, а тестовый сигнал подключается непосредственно к неинвертирующему входу ОУ. Таким образом, фильтр оказывается исключенным из схемы, так как он мог бы сгладить необходимый для моделирования фронт ступенчатой ​​функции. Как гласит японская пословица, если вы хотите знать, как звонит колокол – ударьте его молотом, а не резиновой колотушкой!

Рис. 36. Моделируемая схема: входной вывод притянут к земле, а тестовый сигнал подключается непосредственно к неинвертирующему входу ОУ

Рис. 36. Моделируемая схема: входной вывод притянут к земле, а тестовый сигнал подключается непосредственно к неинвертирующему входу ОУ

В данном случае анализируется не только сигнал на выходе схемы (VOUT), но и напряжение на выходе ОУ (Vopamp). Выходные фильтры R4 и CL сглаживают напряжение VOUT, поэтому форма сигнала не показывает истинного перерегулирования ОУ. Чтобы оценить устойчивость схемы, нужно знать, как ведет себя операционный усилитель.

Обратите внимание, что амплитуда тестового импульса равна 1 мВ (что создает на выходе сигнал 4 мВ). Таким образом, выполняется анализ отклика схемы именно на малый сигнал. Импульс с большой амплитудой будет вызывать меньшее перерегулирование и не позволит обнаружить потенциальную неустойчивость.

Моделирование показывает примерно 27-процентное перерегулирование на выходе ОУ. Это слишком много для того чтобы быть уверенным в абсолютной устойчивости данной схемы при любых условиях (рисунок 37).

Рис. 37. Схема усилителя с 27-процентным перерегулированием может быть неустойчивой

Рис. 37. Схема усилителя с 27-процентным перерегулированием может быть неустойчивой

Если учесть, что это – схема второго порядка, то запас по фазе составляет примерно 38°. Также обратите внимание, что на частотной характеристике наблюдается значительный пик амплитуды – это еще один признак потенциальной неустойчивости. Пик происходит на частоте 14 МГц – это частота осцилляций во временной области. Общепринятым ориентиром для обеспечения адекватной устойчивости является запас по фазе 45° или выше, что соответствует перерегулированию в 20% или менее (рисунок 38).

Рис. 38. Перерегулирование 20%, соответствующее запасу по фазе примерно 45º, в большинстве схем рассматривается как достаточное условие устойчивости

Рис. 38. Перерегулирование 20%, соответствующее запасу по фазе примерно 45º, в большинстве схем рассматривается как достаточное условие устойчивости

Есть и другие, более интересные виды анализа, которые вы можете выполнить с помощью SPICE-моделирования, например, анализ Боде для определения фазы и коэффициента усиления в контуре с разорванной ОС. Но для большинства относительно простых схем (один ОУ с контуром обратной связи) приведенный выше подход является хорошим индикатором возможных проблем с устойчивостью.

Стоит отметить, что качество SPICE-симуляции зависит от точности макромоделей ОУ. Даже лучшие модели SPICE превосходны, но не идеальны. Кроме того, моделирование не способно учесть неидеальность пассивных компонентов, паразитные параметры печатной платы, плохую развязку цепей питания, а ведь все это может повлиять на устойчивость схемы. Вот почему необходимо создавать опытные образцы, испытывать их, сравнивать показанные результаты с результатами моделирования и оптимизировать. SPICE – полезный, но все-таки не идеальный инструмент.

Покойный Боб Пиз, истинный гуру аналоговой схемотехники, скептически отзывался об использовании SPICE. Вот пример его мнения на этот счет: «SPICE It Up! … but does Bob Pease say no?».

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
  8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
  9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
  10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
  13. Приручаем нестабильный ОУ
  14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA211AID (TI)
OPA211AIDGKT (TI)
OPA211ID (TI)
OPA2111KP (TI)
OPA211-HT (TI)
OPA2111KM (TI)
OPA211A (TI)
OPA140AIDBVT (TI)
OPA140ATDD1 (TI)
OPA140AIDGKR (TI)
OPA140ATDD2 (TI)
OPA140AID (TI)
OPA140AIDGKT (TI)
OPA140AIDBVR (TI)
OPA376AIDBVT (TI)
OPA376AID (TI)
OPA376AIDCKT (TI)
OPA376AIBBVT (TI)
OPA376AIDRG4 (TI)
OPA376AIDBVTG4 (TI)