SPICE-моделирование устойчивости ОУ. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием ОУ. В главах 15 и 16 пойдет речь о SPICE-моделировании устойчивости ОУ, характеристиках входных емкостей операционных усилителей и как наилучшим образом использовать эти параметры
1783
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). 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. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

SPICE-моделирование устойчивости ОУ

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.

ris_35.jpg (14 KB)

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!

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).

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).

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?».

Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?

Характеристики входных емкостей операционных усилителей часто путают или вовсе игнорируют. Давайте уточним, как наилучшим образом использовать эти параметры.

Входная емкость на инвертирующем входе может влиять на устойчивость схемы с ОУ, вызывая фазовый сдвиг – задержку сигнала обратной связи, возвращаемого на инвертирующий вход. Цепь обратной связи совместно со входной емкостью создают нежелательный полюс. Изменение импеданса цепи обратной связи с учетом величины входной емкости является важным шагом для обеспечения устойчивости схемы усилителя. Но какую емкость использовать в расчетах? Дифференциальную? Синфазную? Обе?

Входная емкость ОУ, как правило, приводится в документации совместно со значением входного импеданса, это касается как дифференциальной, так и синфазной емкостей (таблица 5).

Таблица 5. Значения входного импеданса приводятся совместно со значениями дифференциальной и синфазной емкостей

Входной импеданс Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Дифференциальный 100//6 МОм//пФ
Синфазный 6000//2 МОм//пФ

Полная входная емкость моделируется как синфазная емкость каждого входа и дифференциальная емкость между входами (рисунок 39). Поскольку у операционного усилителя с биполярным питанием отсутствует подключение к земле, необходимо рассматривать синфазные емкости как подключенные к выводу питания V-, который является в данном случае эквивалентом заземления для сигналов переменного тока (AC).

Входная емкость моделируется как синфазная емкость каждого входа и дифференциальная емкость между входами

Рис. 39. Входная емкость моделируется как синфазная емкость каждого входа и дифференциальная емкость между входами

На высоких частотах, где обеспечению устойчивости следует уделять особое внимание, операционный усилитель имеет небольшой коэффициент усиления разомкнутого контура, и между двумя входами существует значительное напряжение переменного тока. Это приводит к тому, что дифференциальная емкость совместно с синфазной емкостью инвертирующего входа вызывает изменение фазы сигнала обратной связи. Таким образом, мы имеем две дополнительные емкости, подключенные к инвертирующему входу. Кроме того, не стоит забывать и о паразитной емкости электрических проводников (около 2 пФ). В итоге общая емкость создает полюс совместно с сопротивлением параллельно включенных резисторов обратной связи (R1//R2) (рисунок 40).

Расчет полюса, образованного входной емкостью и сопротивлением цепи обратной связи

Рис. 40. Расчет полюса, образованного входной емкостью и сопротивлением цепи обратной связи

Существует следующая стандартная рекомендация для обеспечения устойчивости усилителя: частота полюса должна быть как минимум в два раза больше, чем ширина полосы пропускания усилителя с замкнутым контуром ОС. Полюс, отвечающий этому требованию, уменьшает запас по фазе примерно на 27°. Обычно эта рекомендация хорошо работает для большинства схем с коэффициентом усиления замкнутого контура, равным двум или более. Приложения с более жесткими установками или с емкостной нагрузкой требуют еще большего запаса по фазе. В таких случаях следует уменьшить импеданс цепи обратной связи или рассмотреть возможность совместного параллельного включения конденсатора и резистора обратной связи R2.

Современные ОУ общего назначения часто имеют широкую полосу пропускания 5…20 МГц и более. Резисторы в цепи обратной связи, нормально работавшие в схемах с ОУ с полосой 1 МГц, теперь могут создавать проблемы. Это требует внимательности при проверке устойчивости разработанных схем.

Если макромодель операционного усилителя точно учитывает входные емкости ОУ, то SPICE-моделирование оказывается очень полезным инструментом при проверке чувствительности схемы ко входной емкости и импедансу обратной связи. При анализе отклика схемы на входной прямоугольный сигнал 1 мВ не должно проявляться чрезмерного перерегулирования или возникать колебаний. Однако, следует помнить, что реальность часто преподносит сюрпризы, несмотря на выполнение рекомендаций и проведение моделирования. Для таких схем может потребоваться дополнительная настройка при окончательном макетировании печатной платы.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA211AID
OPA211AID
Texas Instruments
Арт.: 242832 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 597 шт. 414,00
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:45MHz; Slew Rate:27V/чs; Supply Voltage Min:4.5V; Supply Voltage Max:36V; No. of Pins:8
OPA211AID 414,00
206 шт.
(на складе)
391 шт.
(под заказ)
OPA2111KP
OPA2111KP
Texas Instruments
Арт.: 244790 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 313 шт. 1070,00
OP AMP, DUAL DIFET LOW NOISE, 2111; Amplifiers, No. of:2; Slew Rate:2; Case Style:DIP; Pins, No. of:8; Temperature, Operating Range:0°C to +70°C; Amplifier IC Type:DIFET; Bandwidth:2MHz; Base Number:2111; IC Generic Number:2111; Logic Function Number:2111; Operational Amplifier Features:Precision; Temp, Op.…
OPA2111KP 1070,00
18 шт.
(на складе)
295 шт.
(под заказ)
OPA376AIDBVT
OPA376AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 272024 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2932 шт. 75,00
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:5.5MHz; Slew Rate:2V/чs; Supply Voltage Min:2.2V; Supply Voltage Max:5.5V; No. of Pins:5
OPA376AIDBVT 75,00
1518 шт.
(на складе)
1414 шт.
(под заказ)
OPA376AIDCKT
OPA376AIDCKT
Texas Instruments
Арт.: 299130 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2096 шт. 75,00
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:5.5MHz; Slew Rate:2V/чs; Supply Voltage Min:2.2V; Supply Voltage Max:5.5V; No. of Pins:5
OPA376AIDCKT 75,00
136 шт.
(на складе)
1960 шт.
(под заказ)
OPA211ID
OPA211ID
Texas Instruments
Арт.: 339601 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 420 шт. от 1 шт. от 902,13
Выбрать
условия
поставки
1.1nV/rtHz Noise, Low Power, Precision Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA211ID от 1 шт. от 902,13
420 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA211AIDGKT
OPA211AIDGKT
Texas Instruments
Арт.: 342661 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 585 шт. 390,00
1.1nV/rtHz Noise, Low Power, Precision Operational Amplifier 8-VSSOP -40 to 125
OPA211AIDGKT 390,00
133 шт.
(на складе)
452 шт.
(под заказ)
OPA211AIDGKR
OPA211AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 385755 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 465 шт. от 1 шт. от 820,75
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP R-R 80MHZ SGL 8MSOP
OPA211AIDGKR от 1 шт. от 820,75
465 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA376AID
OPA376AID
Texas Instruments
Арт.: 386524 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2153 шт. 78,00
Precision, Low Noise, Low Iq Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA376AID 78,00
368 шт.
(на складе)
1785 шт.
(под заказ)
OPA376AIDBVTG4
OPA376AIDBVTG4
Texas Instruments
Арт.: 386527 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2014 шт. от 1 шт. от 189,73
Выбрать
условия
поставки
OP AMP, LOW NOISE, LOW LQ, SOT-23-5
OPA376AIDBVTG4 от 1 шт. от 189,73
2014 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA376AIDRG4
OPA376AIDRG4
Texas Instruments
Арт.: 386533 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1424 шт. от 1 шт. от 164,81
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 5.5MHZ SGL 8SOIC
OPA376AIDRG4 от 1 шт. от 164,81
1424 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA140AID
OPA140AID
Texas Instruments
Арт.: 623675 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 892 шт. от 1 шт. от 428,04
Выбрать
условия
поставки
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA140AID от 1 шт. от 428,04
892 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA140AIDGKT
OPA140AIDGKT
Texas Instruments
Арт.: 623677 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 931 шт. от 1 шт. от 410,49
Выбрать
условия
поставки
OP AMP, 11MHZ, 20V/US, 120UV, MSOP-8
OPA140AIDGKT от 1 шт. от 410,49
931 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA140AIDR
OPA140AIDR
Texas Instruments
Арт.: 623678 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1073 шт. от 1 шт. от 356,00
Выбрать
условия
поставки
HIGH-PRECISION, LOW-NOISE, RAIL-TO-RAIL OUTPUT,11MHZ JFET OP AMP
OPA140AIDR от 1 шт. от 356,00
1073 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA140AIDBVR
OPA140AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 791295 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1073 шт. от 1 шт. от 356,00
Выбрать
условия
поставки
HIGH-PRECISION, LOW-NOISE, RAIL-TO-RAIL OUTPUT,11MHZ JFET OP AMP
OPA140AIDBVR от 1 шт. от 356,00
1073 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA1652AID
OPA1652AID
Texas Instruments
Арт.: 987568 ИНФО PDF AN
Доступно: 1708 шт. 91,00
Sound Plus Low Noise and Distortion, General-Purpose, FET-Input Audio Op Amps 8-SOIC -40 to 85
OPA1652AID 91,00
427 шт.
(на складе)
1281 шт.
(под заказ)
OPA1652AIDGK
OPA1652AIDGK
Texas Instruments
Арт.: 987569 ИНФО PDF AN
Доступно: 1426 шт. от 1 шт. от 267,91
Выбрать
условия
поставки
Sound Plus Low Noise and Distortion, General-Purpose, FET-Input Audio Op Amps 8-VSSOP -40 to 85
OPA1652AIDGK от 1 шт. от 267,91
1426 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()