温温故,知知新 | 考量运算放大器在Type-2补偿器中的动态响应 第三篇(文末有奖)

安森美半导体 2020-05-30 00:00

点击上方蓝字关注我们





周六锁定“温温故,知知新”,获取我司技术知识速递——您发挥才能,我们提供工具!别忘了参与文末有奖活动哦!

本篇文章节选自国际知名电源专家Christophe Basso所著的《考量运算放大器在Type-2补偿器中的动态响应》。本篇文章是此次系列文章的第三篇,完整文章共五篇,第四篇将于下周六发布,欢迎大家持续关注~



作者简介

Christophe Basso


安森美半导体法国图卢兹 Technical Fellow


他拥有超过20年的电子电路设计经验,在电力电子转换领域拥有近30项专利,他原创了许多集成电路芯片,其中代表性为 NCP120X 系列,它重新定义了电源低待机功耗设标准。


Christophe Basso出版了多部著作,《开关模式 SPICE 仿真和实用设计》深受广大工程师的欢迎并二次改版,《为线性和开关电源设计控制回路:教程指南》为工程师设计补偿和环路稳定性提供了实用指南,《线性电路传递函数:介绍快速分析技术》以说教的方式,为学生和需要强大的工具以快速分析日常工作中的复杂电子电路的工程师提供对电路分析的不同角度。



文章链接

如果您还未阅读本系列文章的前两篇,点击下方链接即可跳转阅览

考量运算放大器在Type-2补偿器中的动态响应 第一篇

考量运算放大器在Type-2补偿器中的动态响应 第二篇



考量运算放大器在Type-2补偿器中的动态响应(第三篇)



在前两篇微信推文中,我们已论证运算放大器用于type-2补偿器的开环增益AOL的影响。我们进一步推进分析,重点着眼于运算放大器的幅值和相位响应,推导出了存在低频和高频两个极点。如果在低带宽设计中可忽略这些极点的存在,但在高带宽系统需要增益和相位增强,您必须考虑到它们带来的失真。在这第二部分中,我们将谈谈由于存在这些极点,如何确定type-2补偿器的传递函数,和它们最终如何导致滤波器的性能失真。

06

运算放大器中的两个极点


为了稳定运行,运放设计人员实施所谓的极点补偿,包括在低频放置一个极点,使放置第二高频极点前在频率fc处的增益下降到1(0dB),通常在2fc.。

图1:运放的开环动态响应揭示了两个极点的存在



图1所示为一个典型的µA741,您可看到交越频率1MHz,低频极点5Hz左右,而第二极点出现在约2MHz。请注意,这是个典型的响应,开环增益AOL106 dB。开环增益不是个精确控制的参数,它可显着变化。数据表规定在整个温度范围内(-55至125°C)增益从15K(83.5分贝)移至200K(106分贝),那么当分立时,这曲线转变。

一个简单的拉普拉斯表达式可描述这两极点开环响应,如图1所示:

(1)


由图2的Mathcad®绘制曲线确定:

图2:运算放大器有一个低频极点,第二极点在超过0dB的交越频率处。



07

运算放大器的一个简单的SPICE模型


我们可以很容易地建立模仿图2的频率响应的SPICE模型。如图3,它采用一个电压控制的电流源G1,G1有跨导gm ,后连一个接地电阻ROL,再与电容C1并联。对于ROL,反相引脚Vinv的传递函数很简单:

(2)


如果我们现在缓冲电压,并放置具有电阻R2和电容C2的第二极点,我们得到我们想要的完整的传递函数:

(3)


元件值已自动显示在页面的左侧,一旦运行仿真,右侧就显示所获得的幅值/相位图。这是个简化的运算放大器模型,但它可以用于第一阶分析。它可稍后升级到模型更特定的特点,如电压钳位或压摆率电路,如 [ 1 ] 所描述的。请注意图中LoL和CoL的存在,由于它们的存在,在元件运行开环时需要将运算放大器输出电压固定为2.5V。这里因为没有电源轨,我们可运行一个简单的交流分析,不考虑直流偏置点。

图3: 一个简单的SPICE电路,可建立一个有开环增益和两极点的运算放大器。



然而,如果您打算分析一个包括电源轨的更全面的模型响应,那么当您想要手动调整直流工作点时,这个简单的电路将避免该集成电路上下波动。在仿真开始时LoL短路,有助于以E3和源Vref调整工作点。一旦交流扫描分析开始于CoL,LoL阻断E3的调制,调整工作点的电路转而静止。这是通常的诀窍,采用平均模型以运行开环增益分析,同时确保确定闭环偏置点到所需的输出值。这个简单的SPICE模型将帮助测试我们分析得出的数学表达式。

08

Type-2补偿器有两极架构


既然我们知道运算放大器有两个特别的极点,我们可更新在本文第一部分我们最初使用的草图。图4所示为新建立的type-2补偿器,现在包括运算放大器的内部特征。

图4:更新电路将运算放大器中存在的两个极点考虑进来。



输出电压VFB是误差电压e乘以运放的开环传递函数

(4)


另外,误差电压可通过使用叠加定理将Vout和VFB设置为0V得出:

(5)


如果我们将代入并加以整理,得出:

(6)


Z1(s)相当于:

(7)


请参阅本文结尾的附录,以了解如何用快速分析技术以简单的步骤推导出这个表达式。

这个方程极其难处理,但有利的是,对于Mathcad®不是问题。我们可通过比较其动态响应与SPICE模型以验证它是否正确。我们假设下列元件值:


采用type-2架构的SPICE电路如图5所示。

图5:完整的type-2 SPICE模型现在构成运算放大器的动态响应。请注意,考虑到2.5V参考电压Vref2现在偏置于NINV引脚,将直流偏置点设置为12V。


Parameter: 参数


由图6证实,Mathcad®和SPICE之间的响应是相同的,确定方程的有效性。

09

特征失真


图5仿真采用的元件值来自一个type-2补偿器,旨在以20 dB的增益在10千赫交越频率处建立65°相位增量。如果我们现在比较由本文第一部分方程(36)给出的理想的type-2响应与使用μA741(106dB AOL,有两个极点,5Hz和2MHz)的type 2电路的响应,您会注意到一些差异,如图7所示:

图6:由Mathcad®提供的绘制曲线与由SPICE产生的曲线完美重合。



在该图中,我们可看到在10千赫处有轻微的增益偏差和离20dB差约2.2dB。其实无关紧要。而更重要的是您以完美的公式实现期望的65°相位增量。在10千赫处,由具有真正运算放大器的电路提供的相位增量仅44.6°或相差20.4°。这将相应减少最终的相位裕量。

图7:用有最高开环增益的μA741创建type 2,已导致相位增量失真。



但后面更糟糕。如果您考虑由数据表显示的开环增益的偏差,若AOL降至83.5 dB,最小的规格是多少?图8证明:在10千赫处的20dB增益差17dB,而相位增量骤降至6.7°。无需解释为何系统的稳定性与最后一个值有关。图9的SPICE仿真通过在同一图中采集的3条不同曲线确定了这些数据。您可看到开环增益偏差的不利影响。

图8:如果开环增益现在骤降至83.5dB,如运算放大器数据表所述,相位几乎无提升。



如果我们现在改变type-2规格,也就是说我们在10kHz处不再需要一个增益,但在fc处有10dB的衰减,同样相位增量65°,相位增量失真不那么明显,开环增益较低(见图10)。

图9:运算放大器开环增益的变化引起严重的增益/相位失真。



图10:如果type-2电路改为以10dB衰减而不是在相同的10千赫交越频率处放大,目标仍没有达到,但失真程度较小。



采用此架构获得的中波段增益是-11dB(相对于-10dB的目标),而相位增量刚达到49°(相对于原来的65°目标)。


未完待续,下周六见…



参考文献

1、C. Basso, “Practical Implementation of Loop Control in Power Converters”, APEC Professional Seminar, Charlotte (NC), 2015, http://cbasso.pagesperso-orange.fr/Spice.htm


2、T. Hegarty, “Error Amplifier Limitations in High-Performance Regulator Applications”, AN-1997, Texas-Instruments, May 2013, http://www.ti.com/lit/an/snva411a/snva411a.pdf


3、http://cbasso.pagesperso-orange.fr/Spice.htm


4、C. Basso, “Linear Circuit Transfer Functions – An Introduction to Fast  Analytical Techniques”, Wiley 2016, ISBN 978-1-119-23637-5




0

1

参与阅读有奖活动

如果粉丝朋友们喜欢我司的技术文章,欢迎大家分享。参与本次阅读有奖活动,仅需点击阅读原文正确填写问卷,即可获得抽奖资格哦。


0

2

活动流程

我们将从参与活动的粉丝中,随机抽取8位,赠送8G四合一手机U盘。欢迎大家热情参与!

活动时间:5月16日至6月15日


本次的阅读有奖活动,将在6月19日公布获奖名单。


0

3

活动规则

活动期间,每个ID只有一次参加机会

奖品内容以最后收到的包裹为准

请如实填写信息,信息将用于寄送奖品

奖品将由快递寄送给获奖者


*本次活动由Archetype举办,最终解释权归Archetype所有
活动参与者将被默认为该参与者同意所提供的信息将根据安森美半导体隐私政策条款使用
安森美半导体及Archetype的员工、代理商/承包商/分包商的员工均没有参与此活动的资格



点击阅读原文,参与活动
安森美半导体 安森美(onsemi, 纳斯达克股票代码:ON)专注于汽车和工业终端市场,包括汽车功能电子化和安全、可持续能源网、工业自动化以及5G和云基础设施等。以高度差异化的创新产品组合,创造智能电源和感知技术,解决最复杂的挑战,帮助建设更美好的未来。
评论
  • 在智能网联汽车中,各种通信技术如2G/3G/4G/5G、GNSS(全球导航卫星系统)、V2X(车联网通信)等在行业内被广泛使用。这些技术让汽车能够实现紧急呼叫、在线娱乐、导航等多种功能。EMC测试就是为了确保在复杂电磁环境下,汽车的通信系统仍然可以正常工作,保护驾乘者的安全。参考《QCT-基于LTE-V2X直连通信的车载信息交互系统技术要求及试验方法-1》标准10.5电磁兼容试验方法,下面将会从整车功能层面为大家解读V2X整车电磁兼容试验的过程。测试过程揭秘1. 设备准备为了进行电磁兼容试验,技
    北汇信息 2025-01-09 11:24 120浏览
  • 车机导航有看没有懂?智能汽车语系在地化不可轻忽!随着智能汽车市场全球化的蓬勃发展,近年来不同国家地区的「Automotive Localization」(汽车在地化)布局成为兵家必争之地,同时也是车厂在各国当地市场非常关键的营销利器。汽车在地化过程中举足轻重的「汽车语系在地化」,则是透过智能汽车产品文字与服务内容的设计订制,以对应不同国家地区用户的使用习惯偏好,除了让当地车主更能清楚理解车辆功能,也能进一步提高品牌满意度。客户问题与难处某车厂客户预计在台湾市场推出新一代车款,却由于车机导航开发人
    百佳泰测试实验室 2025-01-09 17:47 71浏览
  • 1月9日,在2025国际消费电子展览会(CES)期间,广和通发布集智能语音交互及翻译、4G/5G全球漫游、随身热点、智能娱乐、充电续航等功能于一体的AI Buddy(AI陪伴)产品及解决方案,创新AI智能终端新品类。AI Buddy是一款信用卡尺寸的掌中轻薄智能设备,为用户带来实时翻译、个性化AI语音交互助手、AI影像识别、多模型账户服务、漫游资费服务、快速入网注册等高品质体验。为丰富用户视觉、听觉的智能化体验,AI Buddy通过蓝牙、Wi-Fi可配套OWS耳机、智能眼镜、智能音箱、智能手环遥
    物吾悟小通 2025-01-09 18:21 95浏览
  • Snyk 是一家为开发人员提供安全平台的公司,致力于协助他们构建安全的应用程序,并为安全团队提供应对数字世界挑战的工具。以下为 Snyk 如何通过 CircleCI 实现其“交付”使命的案例分析。一、Snyk 的挑战随着客户对安全工具需求的不断增长,Snyk 的开发团队面临多重挑战:加速交付的需求:Snyk 的核心目标是为开发者提供更快、更可靠的安全解决方案,但他们的现有 CI/CD 工具(TravisCI)运行缓慢,无法满足快速开发和部署的要求。扩展能力不足:随着团队规模和代码库的不断扩大,S
    艾体宝IT 2025-01-10 15:52 96浏览
  • 职场是人生的重要战场,既是谋生之地,也是实现个人价值的平台。然而,有些思维方式却会悄无声息地拖住你的后腿,让你原地踏步甚至退步。今天,我们就来聊聊职场中最忌讳的五种思维方式,看看自己有没有中招。1. 固步自封的思维在职场中,最可怕的事情莫过于自满于现状,拒绝学习和改变。世界在不断变化,行业的趋势、技术的革新都在要求我们与时俱进。如果你总觉得自己的方法最优,或者害怕尝试新事物,那就很容易被淘汰。与其等待机会找上门,不如主动出击,保持学习和探索的心态。加入优思学院,可以帮助你快速提升自己,与行业前沿
    优思学院 2025-01-09 15:48 115浏览
  • 1月7日-10日,2025年国际消费电子产品展览会(CES 2025)盛大举行,广和通发布Fibocom AI Stack,赋智千行百业端侧应用。Fibocom AI Stack提供集高性能模组、AI工具链、高性能推理引擎、海量模型、支持与服务一体化的端侧AI解决方案,帮助智能设备快速实现AI能力商用。为适应不同端侧场景的应用,AI Stack具备海量端侧AI模型及行业端侧模型,基于不同等级算力的芯片平台或模组,Fibocom AI Stack可将TensorFlow、PyTorch、ONNX、
    物吾悟小通 2025-01-08 18:17 91浏览
  • 在过去十年中,自动驾驶和高级驾驶辅助系统(AD/ADAS)软件与硬件的快速发展对多传感器数据采集的设计需求提出了更高的要求。然而,目前仍缺乏能够高质量集成多传感器数据采集的解决方案。康谋ADTF正是应运而生,它提供了一个广受认可和广泛引用的软件框架,包含模块化的标准化应用程序和工具,旨在为ADAS功能的开发提供一站式体验。一、ADTF的关键之处!无论是奥迪、大众、宝马还是梅赛德斯-奔驰:他们都依赖我们不断发展的ADTF来开发智能驾驶辅助解决方案,直至实现自动驾驶的目标。从新功能的最初构思到批量生
    康谋 2025-01-09 10:04 119浏览
  • 一个真正的质量工程师(QE)必须将一件产品设计的“意图”与系统的可制造性、可服务性以及资源在现实中实现设计和产品的能力结合起来。所以,可以说,这确实是一种工程学科。我们常开玩笑说,质量工程师是工程领域里的「侦探」、「警察」或「律师」,守护神是"墨菲”,信奉的哲学就是「墨菲定律」。(注:墨菲定律是一种启发性原则,常被表述为:任何可能出错的事情最终都会出错。)做质量工程师的,有时会不受欢迎,也会被忽视,甚至可能遭遇主动或被动的阻碍,而一旦出了问题,责任往往就落在质量工程师的头上。虽然质量工程师并不负
    优思学院 2025-01-09 11:48 139浏览
  • 在当前人工智能(AI)与物联网(IoT)的快速发展趋势下,各行各业的数字转型与自动化进程正以惊人的速度持续进行。如今企业在设计与营运技术系统时所面临的挑战不仅是技术本身,更包含硬件设施、第三方软件及配件等复杂的外部因素。然而这些系统往往讲究更精密的设计与高稳定性,哪怕是任何一个小小的问题,都可能对整体业务运作造成严重影响。 POS应用环境与客户需求以本次分享的客户个案为例,该客户是一家全球领先的信息技术服务与数字解决方案提供商,遭遇到一个由他们所开发的POS机(Point of Sal
    百佳泰测试实验室 2025-01-09 17:35 134浏览
  • 光伏逆变器是一种高效的能量转换设备,它能够将光伏太阳能板(PV)产生的不稳定的直流电压转换成与市电频率同步的交流电。这种转换后的电能不仅可以回馈至商用输电网络,还能供独立电网系统使用。光伏逆变器在商业光伏储能电站和家庭独立储能系统等应用领域中得到了广泛的应用。光耦合器,以其高速信号传输、出色的共模抑制比以及单向信号传输和光电隔离的特性,在光伏逆变器中扮演着至关重要的角色。它确保了系统的安全隔离、干扰的有效隔离以及通信信号的精准传输。光耦合器的使用不仅提高了系统的稳定性和安全性,而且由于其低功耗的
    晶台光耦 2025-01-09 09:58 100浏览
  • 根据环洋市场咨询(Global Info Research)项目团队最新调研,预计2030年全球中空长航时无人机产值达到9009百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为8.0%。 环洋市场咨询机构出版了的【全球中空长航时无人机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球中空长航时无人机总体规模,包括产量、产值、消费量、主要生产地区、主要生产商及市场份额,同时分析中空长航时无人机市场主要驱动因素、阻碍因素、市场机遇、挑战、新产品发布等。报告从中空长航时
    GIRtina 2025-01-09 10:35 126浏览
  • HDMI 2.2 规格将至,开启视听新境界2025年1月6日,HDMI Forum, Inc. 宣布即将发布HDMI规范2.2版本。新HDMI规范为规模庞大的 HDMI 生态系统带来更多选择,为创建、分发和体验理想的终端用户效果提供更先进的解决方案。新技术为电视、电影和游戏工作室等内容制作商在当前和未来提供更高质量的选择,同时实现多种分发平台。96Gbps的更高带宽和新一代 HDMI 固定比率速率传输(Fixed Rate Link)技术为各种设备应用提供更优质的音频和视频。终端用户显示器能以最
    百佳泰测试实验室 2025-01-09 17:33 149浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦