運放OPAX192環路穩定性測試與模型建立

1、 主要內容：測試OPAX192運放電路的穩定性及其模型建立

2、 PS：model test——利用數據手冊建立運放OPAX192功能模型并進行頻域仿真測試

視頻：運放OPAX192模型建立與測試76A

運放OPAX192開環增益和相位與頻率特性曲線

運放OPAX192開環輸出阻抗與頻率特性曲線

測試電路及運放模型

交流仿真設置

幅頻域相頻特性曲線

AMPSIMP——application庫中的運放模型，更加實用，建議實際設計時使用!

Ro為運放模型的輸出阻抗，實際測試時根據實際電路進行正確設置!

模型及參數設置——建議建立實際模型時重點使用該模型

Laplace與AMPSIMP對比，測試功能模型與物理模型頻域特性

(Ro模擬運放輸出阻抗)

Laplace與AMPSIMP頻率特性一致：第1個極點為1Hz，與設置值fp1一致;

第2個極點由運放輸出阻抗Ro和15pF負載電容CL決定—23Meg、28Meg

3、 PS：Large signal step——階躍響應時域測試

視頻：運放OPAX192放大電路大信號測試76B

3.1大信號階躍響應時域測試：圖39

大信號階躍響應測試電路

大信號階躍響應測試電路

瞬態仿真設置

大信號階躍響應輸入、輸出電壓波形

3.2 正階躍10V穩定時間測試：圖40

正階躍10V穩定時間仿真電路

瞬態仿真設置

正階躍10V響應輸入、輸出電壓波形

輸出與輸入差值V(VOUT1)-V(VIN1)

正階躍10V響應：ABS(V(VOUT1)-V(VIN1))——1.4us之后誤差優于1mV

正階躍10V響應測試波形與數據

圖41 穩定時間(5V 正階躍)

圖42 穩定時間(10V 負階躍)

按照上述仿真電路和方法對圖41和圖42進行測試(讀者自行測試)

4、 PS：Precision reference source——精密參考緩沖(數據手冊圖69)

視頻：精密參考源分析76C

參考：TIDU032c Capacitive Load Drive Solution using anIsolation
Resistor.pdf

輸出，并且有充足驅動電流用于瞬態變化。對于圖69 中所示的10μF
陶瓷電容器，RISO(一個37.4Ω的隔離電阻)可隔離兩個反饋路徑以實現最佳穩定性。反饋路徑1 通過RF，直接連接到輸出VOUT 端。反饋路徑2
通過RFx和CF，連接到運算放大器的輸出端。所示的對10uF 負載設計的優化穩定性組件能夠對VOUT 提供4kHz
的閉環帶寬，并且仍然提供89°環路增益相位裕量。任何其他負載電容都需要重新計算穩定性組件：RF、RFx 、CF 和RISO。

圖69 精密參考緩沖電路

4.1 開環交流穩定性分析

精密參考源開環頻域測試電路

交流仿真設置

Aol與1/Beta測試：閉合速度為20dB/dec——電路穩定工作

環路增益與相位曲線：相位裕度83度;

但在約400Hz時相位只有8度，補償網絡應重新設計(RF1=1k)

環路增益與相位曲線：相位裕度89度;

在約135Hz時相位為22.2度(RF1=20k)

4.2 閉環交流穩定性分析

精密參考源閉環頻域測試電路

交流仿真設置

閉環-3dB帶寬約為5.6kHz(RF1=1k)

閉環-3dB帶寬約為776Hz(RF1=20k)

提高相位裕度以犧牲閉環帶寬為代價!

4.3 時域仿真測試：輸入參考為2.5V階躍電壓信號

精密參考源時域測試電路

瞬態仿真設置

輸入參考與輸出電壓波形：約2ms之后輸出誤差優于1mV

5、 PS：TIDU026——利用運放OPAX192實現擺率限制功能

實際設計運放電路時一定要帶寬與擺率同時滿足，否則輸出波形失真增大!

視頻：利用運放OPAX192實現擺率限制76D

參考文獻：TIDU026 Single Op-Amp Slew Rate Limiter.pdf

5.1 工作原理分析：閉環瞬態測試——SR=I(CF1)/CF1=(VCC/RI1)/CF1=20V/0.1s

工作原理仿真分析電路

瞬態仿真設置

各點測試波形及擺率測試數據：20V/0.1s

5.2 穩定性分析：開環頻域測試

穩定性測試電路

RFv=1.6k：閉環速度為20dB/dec，fcl=100kHz;

電路穩定工作，但是在低頻20Hz時相位裕度太低，存在隱患

RFv=1.6：閉環速度為40dB/dec，fcl=4.6kHz——電路不能穩定工作

5.3 穩定性分析：時域測試

時域穩定性測試電路

RFv=1.6k時輸出正?！娐贩€定工作

輸入輸出電壓波形：輸入信號階躍變化時輸出與輸入一致，電路穩定工作

RFv=1.6時輸出振蕩——電路不能穩定工作

輸入輸出電壓波形：輸入信號階躍變化時輸出發生嚴重震蕩

5.4 穩定性分析：閉環頻域測試

閉環頻域測試電路

RFv=1.6k時電路穩定工作，-3dB帶寬約101kHz

RFv=1.6時電路不能穩定工作;

在4kHz—5kHz之間存在雙極點，相位發生180度突變

擺幅與單位增益帶寬：測試帶寬時應使輸出信號擺幅小于限制值!

擺幅與單位增益帶寬：測試帶寬時應使輸出信號擺幅小于限制值!

輸入信號為100Hz、0.3V時輸入與輸出波形一致

輸入信號為100Hz、0.3V時輸入與輸出波形一致

最大擺率：20V/0.1s=200V/s

擺幅與單位增益帶寬：測試帶寬時應使輸出信號擺幅小于限制值!

輸入與輸出電壓波形

6、 PS：GBP test——閉環放大電路增益帶寬積測試——GBW=10Meg(圖17)

增益帶寬積測試電路

交流仿真設置

增益Gain參數設置

輸出電壓DB(V(VOUT))即閉環增益曲線

Gain=1時-3dB帶寬約9.3megHz

Gain=10時-3dB帶寬約1.2megHz

Gain=100時-3dB帶寬約98.7kHz

圖17 閉環增益和相位與頻率間特性曲線

7、總結：運放電路頻域環路穩定分析與時域測試一致，包括響應時間、超調等等;該運放作為精密參考緩沖電路時負載電容可設置為10uF，此時雙反饋補償網絡發揮作用;進行交流放大時，輸入信號符合帶寬的同時一定要滿足擺率限制，否則輸出信號發生畸變;實際工作時閉環帶寬與穩定域度需要匹配，帶寬增加時最小相位降低，存在不穩定隱患!