【技术专辑】负反馈,第8部分:跨阻抗放大器稳定性分析

先前文章中讨论的技术可以帮助我们理解和解决在用于放大光电二极管信号的公共电路中观察到的稳定性问题。

 

支持信息

 

•运算放大器简介

 

•运算放大器:负反馈

 

•交流阶段

 

•专用二极管

 

如果您想要思考一般反馈结构,那么您不必切换页面,这是第一篇文章中提供的图表:

 

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即使是内部补偿的运算放大器也可以振荡

 

如今,并没有多少工程师将明显不稳定的分立式BJT放大器集成到他们的设计中。这使得生命不那么令人兴奋,虽然稍微稳定一些,因为大多数运算放大器都在内部补偿到它们具有足够的相位裕度,即使闭环增益为1(即β = 1)。内部补偿当然很方便,特别是对于没有太多稳定性问题经验的工程师。但它也鼓励了一个有问题的自满问题 - 因为即使是内部补偿的运算放大器也会发生振荡,如果确实如此,那么孤独的设计师可能无法理解这种不稳定性从何而来或如何正确地纠正它。

 

在我们进行模拟之前,考虑到我们在稳定性分析方面不断增加的专业知识,让我们来看看内部补偿。考虑凌力尔特公司LT1001运算放大器的这个开环增益曲线。

 

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考虑内部补偿的一种方法是在主导的低频极点方面,当相移仍然远离180°时,导致开环增益达到一致。但是这个图提醒我们,我们可以用不同的方式查看内部补偿:主导的低频极点确保开环滚降的斜率为20 dB / decade,一直到单位增益。回想一下稳定性分析的替代方法:如果环路增益的幅度响应的斜率与反馈网络的幅度响应的斜率之间的差异在交叉点处不大于20dB / decade,则放大器足够稳定。不可避免的更高频率的极点 - 您可以在3 MHz左右辨别出滚降斜率的增加 - 不会危及稳定性,因为β必须大于1才能使20log(1 / β)和20log(A)曲线在落在开环幅度响应的-40dB / decade段内的点处相交。

 

然而,正如我们在前一篇文章中所了解的那样,即使放大器的开环滚降的斜率不超过20 dB /十倍,也很容易产生不稳定性 - 所需要的只是反馈网络中的一些频率响应。

 

当心隐藏的电容

 

配置为“光伏模式”的光电二极管(意味着光电二极管上的零伏偏压,与光电二极管反向偏置的“光电导模式”相反)基本上起光依赖性(或依赖于UV的光,或者IR-)。依赖的)电流源。二极管产生的小电流被放大并通过互阻抗放大器(TIA)转换为电压,如下所示:

 

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一切都很好:内部补偿运算放大器,非频率相关的反馈网络。。。但是在那个看似无害的光电二极管里潜藏着一些麻烦。如果我们用等效电路替换光电二极管,这就是TIA的样子:

 

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二极管的分流电阻理论上可以影响直流增益,但更重要的是,结电容会将频率响应引入反馈网络。

 

模拟!

 

这是我们将用于分析典型光电二极管TIA稳定性的第一个LTSpice原理图。

 

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该电路包含结电容,分流电阻和反馈电阻的合理值。正如在上一篇文章中一样,我们将反馈网络与运算放大器分开,因为这允许我们通过将负输入接地,同时将AC源应用于正输入来生成开环增益图。将被反馈和减去的电压标记为“反馈”,使得我们可以通过绘制20log(1 /(V feedback / V out))来获得20log(1 / β)曲线。

 

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问题很明显:二极管的结电容在反馈网络中引入了一个极点(请记住前一篇文章,当我们绘制1 / β的频率响应时,β传递函数中的极点看起来像零)。通过考虑低频和高频信号如何通过反馈电路,您可以直观地理解这一点:电容器是DC的开路。分流电阻也可以近似为开路,因为它比反馈电阻大得多。因此,在低频率, Vfeedback ≈ Vout,并且因此β ≈1.随着频率的增加,R sh的仍然近似开路,但C j的阻抗逐渐减小。这导致β逐渐减小,这转化为20log(1 / β)曲线的振幅的正斜率。因此,在交叉点,20log(A)的斜率为-20dB / decade,20log(1 / β)的斜率为+ 20dB / decade; 斜率的差异为40 dB / decade,因此电路不够稳定。

 

补偿!

 

我们无法改变反馈极本身,因为它的位置由设置闭环增益的电阻和光电二极管的特性决定 - 可能这些电路方面受不可协商的系统要求控制。因此,我们需要补偿这个极点,我们通过在反馈网络中引入零来实现这一点。正如我们在前一篇文章中看到的那样,与“下”反馈电阻(在这种情况下为R sh)并联的电容产生反馈极,并且电容与“上”反馈电阻并联(在这种情况下为R F)创建零反馈。所以我们需要与R F并联的电容,如下:

 

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问题是,电容多少?一般程序是从近似值开始,然后使用调整和检查模拟来找到最佳点。如果您有光电二极管TIA电路的经验,您可能已经大致了解需要多少补偿电容。否则,从20log(A)和20log(1 / β)的模拟图中找到交叉点频率(f int),然后使用以下公式:

 

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这不会给您一致的准确结果,因为它不考虑结电容,但结果应该足够接近,以作为调整和检查模拟的起点。在我们的电路中,我们有以下内容:

 

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在我们完成此补偿程序之前,我们需要确定我们希望反馈归零的确切位置。为了获得足够的稳定性,20log(1 / β)曲线在与20log(A)曲线相交时必须具有斜率≈0 ,因此我们知道零频率不能高于交叉频率。接下来我们进行权衡:如果零非常接近交叉点频率,则电路将具有较低(尽管可能足够)的相位裕度和最大闭环带宽。随着零频率从这一点开始减小,相位裕度增加但闭环带宽减小。您可以考虑如下权衡:

 

•找到交叉点频率以下的零点:

 

•如果你不期望高频光电二极管信号

 

•如果要滤除光电二极管信号中的高频分量

 

•如果您的电路可能暴露在可能严重影响放大器或反馈网络频率响应的操作或环境条件下

 

•找到非常靠近交叉点的零点:

 

•如果您需要最大化TIA的可用带宽

 

此图显示了三种不同C comp值的稳定性结果:

 

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结论

 

该光电二极管TIA电路为将频率相关反馈应用于替代稳定性分析方法提供了极好的机会。下一篇文章将介绍一种额外的稳定性分析仿真技术,并演示在另一种可能降低内部补偿运算放大器稳定性的情况下使用该技术。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计