面包芯语

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
构建AI未来，Arm计算平台无处不在 如何提升高压系统的实时性能?

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
登录阅读全文
免责声明： 该内容由专栏作者授权发布或作者转载，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点，本站亦不保证或承诺内容真实性等。若内容或图片侵犯您的权益，请及时联系本站删除。侵权投诉联系：  nick.zong@aspencore.com！
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
  • 艾迈斯欧司朗秀绝技，汽车照明的 “隐形魔法” 与万级像素传奇
    随着消费者对汽车驾乘体验的要求不断攀升，汽车照明系统作为确保道路安全、提升驾驶体验以及实现车辆与环境交互的重要组成，日益受到业界的高度重视。近日，2024 DVN（上海）国际汽车照明研讨会圆满落幕。作为照明与传感创新的全球领导者，艾迈斯欧司朗受邀参与主题演讲，并现场展示了其多项前沿技术。本届研讨会汇聚来自全球各地400余名汽车、照明、光源及Tier 2供应商的专业人士及专家共聚一堂。在研讨会第一环节中，艾迈斯欧司朗系统解决方案工程副总裁 Joachim Reill以深厚的专业素养，主持该环节多位
    艾迈斯欧司朗 2025-01-16 20:51 106浏览
  • 3.1s快速启动！飞凌嵌入式i.MX93开发板部署LVGL，打造更高效的GUI
    一个易用且轻量化的UI可以大大提高用户的使用效率和满意度——通过快速启动、直观操作和及时反馈，帮助用户快速上手并高效完成任务；轻量化设计则可以减少资源占用，提升启动和运行速度，增强产品竞争力。LVGL(Light and Versatile Graphics Library)是一个免费开源的图形库，专为嵌入式系统设计。它以轻量级、高效和易于使用而著称，支持多种屏幕分辨率和硬件配置，并提供了丰富的GUI组件，能够帮助开发者轻松构建出美观且功能强大的用户界面。近期，飞凌嵌入式为基于NXP i.MX9
    飞凌嵌入式 2025-01-16 13:15 184浏览
  • 智能显示器有哪些应用风险?
    随着智慧科技的快速发展，智能显示器的生态圈应用变得越来越丰富多元，智能显示器不仅仅是传统的显示设备，透过结合人工智能(AI)和语音助理，它还可以成为家庭、办公室和商业环境中的核心互动接口。提供多元且个性化的服务，如智能家居控制、影音串流拨放、实时信息显示等，极大提升了使用体验。此外，智能家居系统的整合能力也不容小觑，透过智能装置之间的无缝连接，形成了强大的多元应用生态圈。企业也利用智能显示器进行会议展示和多方远程合作，大大提高效率和互动性。Smart Display Ecosystem示意图，作
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:37 165浏览
  • 百佳泰整理2025年1月各大规格更新快报
    百佳泰特为您整理2025年1月各大Logo的最新规格信息，本月有更新信息的logo有HDMI、Wi-Fi、Bluetooth、DisplayHDR、ClearMR、Intel EVO。HDMI®▶ 2025年1月6日，HDMI Forum, Inc. 宣布即将发布HDMI规范2.2版本。新规范将支持更高的分辨率和刷新率，并提供更多高质量选项。更快的96Gbps 带宽可满足数据密集型沉浸式和虚拟应用对传输的要求，如 AR/VR/MR、空间现实和光场显示，以及各种商业应用，如大型数字标牌、医疗成像和
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:41 155浏览
  • 简析光耦在带过零检测的辅助电源的广泛应用
    晶台光耦KL817和KL3053在小家电产品（如微波炉等）辅助电源中的广泛应用。具备小功率、高性能、高度集成以及低待机功耗的特点，同时支持宽输入电压范围。▲光耦在实物应用中的产品图其一次侧集成了交流电压过零检测与信号输出功能，该功能产生的过零信号可用于精确控制继电器、可控硅等器件的过零开关动作，从而有效减小开关应力，显著提升器件的使用寿命。通过高度的集成化和先进的控制技术，该电源大幅减少了所需的外围器件数量，不仅降低了系统成本和体积，还进一步增强了整体的可靠性。▲电路示意图该电路的过零检测信号由
    晶台光耦 2025-01-16 10:12 95浏览
  • 80,000人到访的国际大展上，艾迈斯欧司朗有哪些亮点？
    80,000人到访的国际大展上，艾迈斯欧司朗有哪些亮点？感未来，光无限。近日，在慕尼黑electronica 2024现场，ams OSRAM通过多款创新DEMO展示，以及数场前瞻洞察分享，全面展示自身融合传感器、发射器及集成电路技术，精准捕捉并呈现环境信息的卓越能力。同时，ams OSRAM通过展会期间与客户、用户等行业人士，以及媒体朋友的深度交流，向业界传达其以光电技术为笔、以创新为墨，书写智能未来的深度思考。electronica 2024electronica 2024构建了一个高度国际
    艾迈斯欧司朗 2025-01-16 20:45 136浏览
  • 手机购新补贴实施方案发布 京东将率先上线手机“国补”会场
    日前，商务部等部门办公厅印发《手机、平板、智能手表（手环）购新补贴实施方案》明确，个人消费者购买手机、平板、智能手表（手环）3类数码产品（单件销售价格不超过6000元），可享受购新补贴。每人每类可补贴1件，每件补贴比例为减去生产、流通环节及移动运营商所有优惠后最终销售价格的15％，每件最高不超过500元。目前，京东已经做好了承接手机、平板等数码产品国补优惠的落地准备工作，未来随着各省市关于手机、平板等品类的国补开启，京东将第一时间率先上线，满足消费者的换新升级需求。为保障国补的真实有效发放，基于
    华尔街科技眼 2025-01-17 10:44 117浏览
  • Matter“利好”频出，如何0门槛进行Matter标准认证？
    近期，智能家居领域Matter标准的制定者，全球最具影响力的科技联盟之一，连接标准联盟（Connectivity Standards Alliance，简称CSA）“利好”频出，不仅为智能家居领域的设备制造商们提供了更为快速便捷的Matter认证流程，而且苹果、三星与谷歌等智能家居平台厂商都表示会接纳CSA的Matter认证体系，并计划将其整合至各自的“Works with”项目中。那么，在本轮“利好”背景下，智能家居的设备制造商们该如何捉住机会，“掘金”万亿市场呢？重认证快通道计划，为家居设备
    华普微HOPERF 2025-01-16 10:22 170浏览
  • 毫秒必争，极致性能——深度解析电竞鼠标测试及解决方案
    电竞鼠标应用环境与客户需求电竞行业近年来发展迅速，「鼠标延迟」已成为决定游戏体验与比赛结果的关键因素。从技术角度来看，传统鼠标的延迟大约为20毫秒，入门级电竞鼠标通常为5毫秒，而高阶电竞鼠标的延迟可降低至仅2毫秒。这些差异看似微小，但在竞技激烈的游戏中，尤其在对反应和速度要求极高的场景中，每一毫秒的优化都可能带来致胜的优势。电竞比赛的普及促使玩家更加渴望降低鼠标延迟以提升竞技表现。他们希望通过精确的测试，了解不同操作系统与设定对延迟的具体影响，并寻求最佳配置方案来获得竞技优势。这样的需求推动市场
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:45 224浏览
  • EMC电磁兼容——元器件（TVS）
    实用性高值得收藏！！ （时源芯微）时源专注于EMC整改与服务，配备完整器件 TVS全称Transient Voltage Suppre，亦称TVS管、瞬态抑制二极管等，有单向和双向之分。单向TVS 一般应用于直流供电电路，双向TVS 应用于电压交变的电路。在直流电路的应用中，TVS被并联接入电路中。在电路处于正常运行状态时，TVS会保持截止状态，从而不对电路的正常工作产生任何影响。然而，一旦电路中出现异常的过电压，并且这个电压达到TVS的击穿阈值时，TVS的状态就会
    时源芯微 2025-01-16 14:23 148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