運放環路增益測量的理論基礎


放大電路,如果用受控源表示,可以表示成如下的四種模型:

根據信號源的戴維寧-諾頓等效變換原理,這四種電路模型之間可以相互實現任意轉換。簡單來說,就是一個實際的放大電路,一般都可以使用上述的四種模型中的任意一種作為它的電路模型。實際的情況是,根據信號源的性質和負載的要求,一般只有一種模型滿足電路設計和分析的要求。但是,接下來是理論計算,不考慮實際情況,所以,這四種模型是可以任意轉換的。

如前所述,一個運算放大器的電路是可以用受控源表示的。在測量運放的環路時,精確測量有兩種方法。一種是傳統的Rosenstark方法,另一種是Middlebrook方法。后續簡單的介紹一下這兩種方法的原理和仿真測試的實例

在介紹這兩種方法之前,先看一下如何得理論上的准確的反饋比。假設運放的放大電路模型等效成如下結構。

那么可以采用以下兩種方法計算反饋比。

Rosenstark方法如下圖所示:

 

因為T=Gm*(Z1//Z2),Toc=Gm*Z2,Tsc=Gm*Z1,可以推導出:1/T = 1/Toc + 1/Tsc。

注意,Resenstark方法,必須在受控源的位置斷開測試環路。測試源需要保證環路工作在線性范圍內,也就是放大電路輸出不能滿偏。仿真的時候,為了保證直流偏置,只驗證交流信號,通常使用大電感分隔需要斷開的位置,用大電容連接需要短路的位置。因為Resenstark方法必須在受控源位置斷開,所以運放電路就是在運放的輸出端斷開,將運放視作受控源(壓控電壓源)。

來個實例看看。首先提取出仿真的模型。

按照模型的要求,再建立仿真電路,進行仿真。結果如下圖所示。

 

 

Middlebrook方法如下圖所示:

 

因為T=Gm*(Z1//Z2),Tv=Z2*(Gm+1/Z1),Ti=Z1*(Gm+1/Z2),可以推導出:1/(1+T)=1/(1+Tv) + 1/(1+Ti),Z2/Z1=(1+Tv)/(1+Ti),T=(Tv*Ti-1)/(2+Tv+Ti)。

Middlebrook的方法,不需要斷開測試環路,測試源可以不是理想源,因此實際電路測試這種方式比較容易實現。復雜電路無法建立受控源模型時,或者實際電路無法斷開反饋環路時,采用這種方法都可以測量,並且可以在環路中的任意位置進行測量。同樣,測試信號需要保證電路工作在線性狀態。

來看一下仿真演示的實例。結果如下圖所示。

如果不考慮輸入和輸出的相互作用,按照傳統的方式進行測量,輸入到輸出認為是單向的,那么可以有以下等效。

采用這種模型測試,其結果如下:

采用這種方式,負載對輸入的影響幾乎沒有,因此仿真結果中,相位裕量與之前的方法,有大約10度左右的差異。

按照反饋理論,在環路的任意位置斷開環路,測試到的環路增益是相同的,那么采用以下的方法,在運放的輸出端斷開環路,並考慮負載效應,再進行一次仿真測試。

這種情況下,仿真結果與Rosenstark、Middlebrook方法的仿真結果非常相近,也可以認為這種方式更加准確一些。因為斷開環路,考慮負載效應會使電路變得復雜,實際仿真還可以簡化一下,采用大電感和大電容實現開路和短路效果。更改仿真電路,再次仿真,其效果如下。

采用這種方式得到的相位精度與Rosenstark、Middlebrook的方法相比有很小的差異,但是仿真設置比較簡便。

綜合起來講,這些測試環路增益的方法,首推Middlebrook的方法,這種方法既可以仿真,又可以實際進行測試,且沒有環路位置的影響。但是只進行仿真計算的話,最后一種方式比較簡便快捷。這里並沒有提供相位裕度和增益裕度的具體的精度,感興趣的讀者,可以將需要對比的仿真電路放在一起進行仿真,來觀察其精度差異。

 

最后補充說明一下四種放大電路反饋的加載效應。對應不同的模型,斷開環路測試時,要根據實際情況選擇使用電壓源還是電流源。

 


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