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電容負載穩定性:輸出引腳補償 之二

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作者:德州儀器(TI)線性應用工程經理 Tim Green 時間:2007-03-07 來源: 收藏
CMOS RRO:輸出引腳補償

我們的 CMOS RRO 輸出引腳補償實例如圖 9.20 所示。這種實際電源應用采用 OPA569 功率運算放大器作為可編程電源。為了在負載上提供精確的電源電壓,可以采用一種差動放大器 INA152 對負載電壓實施差動監控。閉環系統可以補償任何從可編程電源到負載的正/負連接中的線路壓降造成的損耗。OPA569 上的電流限值設定為2A。在我們的實際應用中,這種電源具有靈活的配置,因此可以在差動放大器 INA152 的輸出上提供多大達10nF 電容。這樣是否能夠實現可編程電源的穩定運行?

可編程電源應用

圖 9.20:可編程電源應用

我們在圖 9.21 中詳細說明了在我們的可編程電源應用中使用的 IC 的主要規格。

可編程電源 IC 主要規格

圖9.21:可編程電源 IC 主要規格

我們用于反饋的 INA152 差動放大器采用如圖 9.22 所示的 CMOS RRO 拓撲。

INA152 差動放大器:CMOS RRO

圖9.22:INA152 差動放大器:CMOS RRO

我們采用圖 9.23 中的 TINA Spice 電路檢查可編程電源的穩定性。我們的 DC 輸出由 Vadjust 設定到3.3V,同時應用一個較小的瞬態方形波檢查過沖與振鈴。

瞬態穩定性測試

圖9.23:瞬態穩定性測試:原始電路

圖 9.24 中的瞬態穩定性測試結果顯然不夠理想。我們不希望在未經進一步穩定性補償情況下投產這種電路。 

瞬態穩定性圖

圖9.24:瞬態穩定性圖:原始電路

圖 9.25 中的 TINA Spice 電路用于檢查原始電路中的不穩定性是否由 INA152 輸出端的 CX負載所引起。我們將采用瞬態穩定性測試進行快速檢測。

差動放大器反饋

圖9.25:差動放大器反饋:原始電路

圖9.26可以證明我們的推測,即:是CX造成了差動放大器INA152的不穩定性。

瞬態圖

圖9.26:瞬態圖:差動放大器反饋,原始電路

差動放大器由 1 個運算放大器以及 4 個精密比率匹配電阻器構成。這給我們的分析工作帶來了挑戰,因為我們無法直接接入內部運算放大器的 - 輸入或 + 輸入。在圖 9.27 中我們可以看到差動放大器的等效示意圖,同時可以看出測量 Aol 的明確方法。我們將采用 LT 斷開任何相關 AC 頻率的反饋,同時仍然保持準確的 DC 工作點(LT 對于相關 DC 頻率短路,對于相關 AC 頻率開路)。通過把 INA152 的 Ref 引腳連接到 VIN+ 引腳,我們可以創建一個非反相輸入放大器。通過在 Sense 與 VOA 之間放置 LT,我們可以理想地在任何相關AC頻率驅動運算放大器進入開路狀態。INA152 運算放大器的內部節點 VM 可以在相關 AC 頻率達到零點。VP 只需作為 VG1,然后我們可以輕松測出 Aol = VOA/VG1。請注意:我們只要把 VdcBias 設定為 1.25V 以便在 VOA 產生 2.5V DC,即可衡量 DC 工作點。

我們把圖 9.27 的 INA152 Aol 測試電路概念轉化成圖 9.28 所示的 TINA Spice 電路。我們知道,用于 INA152 的 TINA Spice 宏模型是一種 Bill Sands 宏模型[參考:《模擬與 RF 模型》,(http://www.home.earthlink.net/%7Ewksands/)],因此該宏模型可以精確匹配實際硅片。

INA152 Aol 測試電路概念

圖9.27:INA152 Aol 測試電路概念

TINA Spice INA152 Aol 測試電路

圖9.28:TINA Spice INA152 Aol 測試電路

圖 9.29 說明了根據 TINA Spice 仿真獲得的 INA 152 詳細 Aol 曲線。請注意:Aol 曲線中在 1MHz 時存在第二個極點,在基于 Aol 相位曲線的頻率之外存在某些更高階的極點,其在 1MHz 之外表現出比每十倍頻程 -45度更陡的斜率。 

INA152 Aol TINA Spice 結果

圖 9.29:INA152 Aol TINA Spice 結果

由于我們已知道 INA152 是一款 CMOS RRO 差動放大器,因此,除了 Aol 曲線,還需要 Zo 進行穩定性分析。在圖 9.30 中建立一個 Zo 測試電路概念。與圖 9.28 的 Aol 測試電路相似,我們可以利用所示的 LT 與電路連接強迫 INA152 的內部運算放大器在任何相關 AC 頻率進入開路狀態。我們現在將采用設為 1Apk 的 AC 電流電源驅動輸出,同時直接根據 VOA 的電壓測量 Zo。

INA152 Zo 測試電路概念

圖 9.30:INA152 Zo 測試電路概念我們在圖 9.31 中建立了 TINA Spice INA152 Zo 測試電路。快速 DC 分析表明我們可以得到 INA152 的正確 DC 工作點。最好在利用 Spice 進行 AC 分析之前先執行 DC 分析,以便確定電路在任何電源軌下都不飽和,電源軌可能會造成錯誤AC分析結果。

INA152 Zo TINA 測試電路

圖 9.31:INA152 Zo TINA 測試電路

INA152 TINA Zo 曲線

圖 9.32:INA152 TINA Zo 曲線

圖 9.32 的 TINA Zo 測試結果顯示了 Zo 的典型 CMOS RRO 響應。我們可以看到在 fz="76".17Hz 時出現一個零點,在 fp="4".05Hz 時出現一個極點。 

INA152 Tina Ro 測量

圖 9.33:INA152 Tina Ro 測量

我們在圖 9.33 中根據由 TINA Spice 創建的 Zo 曲線測量 Ro。Ro = 1.45k 歐姆。

我們從測量的 Zo 圖可以獲得 Ro、fz 以及 fp。我們利用這些資料可以創建 INA152 的等效 Zo 模型,如圖 9.34 所示。 

INA152 Zo 模型

圖 9.34:INA152 Zo 模型

我們可以利用 TINA Spice 仿真器快速檢測等效 Zo 模型與實際 INA152 Zo 相比的準確性。等效 Zo 模型結果如圖 9.36 所示,并與圖9.35 作了相關對比。由此可見,等效 Zo 模型非常接近,因此可以繼續進行穩定性分析。

Zo 等效模型與 INA152 Zo 對比

圖 9.35:Zo 等效模型與 INA152 Zo 對比

TINA 圖:INA152 等效 Zo 模型

圖 9.36:TINA 圖:INA152 等效 Zo 模型

現在我們可利用 Zo 等效模型分析負載電容 CL 對 INA152 輸出的影響。從 Aol 曲線中,我們可以看到在CL=10.98kHz 時造成的附加極點(如圖 9.37 所示)。

計算 Zo 與 CL 造成的極點(fp2)

圖 9.37:計算 Zo 與 CL 造成的極點(fp2)



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