差動(dòng)放大器是一種常用的電路,用于從工廠自動(dòng)化到電動(dòng)車系統(tǒng)的各種應(yīng)用。這主要是因?yàn)樗兄谠诔臭[的環(huán)境中為設(shè)計(jì)添加公共模式和差異濾波。

本文將比較離散差分放大器的兩種濾波方法.執(zhí)行情況a,見 圖1 ,在遺留系統(tǒng)中很常見,但可能有一些設(shè)計(jì)缺陷。執(zhí)行情況b,見 圖2 提供了一種改進(jìn),可以減小放大器電路中常見的誤差。但為什么需要改進(jìn)呢?如何改進(jìn)電路,如圖2所示?

圖1 差異放大器實(shí)現(xiàn)A是常見的遺留系統(tǒng)。

圖2 差異放大器實(shí)現(xiàn)b減少了實(shí)現(xiàn)中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤.

首先,讓我們快速回顧一下循環(huán)穩(wěn)定性以及什么導(dǎo)致放大電路不穩(wěn)定。影響運(yùn)算放大器穩(wěn)定性的主要因素有三個(gè):

· 內(nèi)在相移

· 外部相移

· 前兩個(gè)過程、溫度和分量公差的隨機(jī)變化

當(dāng)將隨機(jī)和不可預(yù)測(cè)的變化應(yīng)用到系統(tǒng)時(shí),相位邊緣代表設(shè)計(jì)的強(qiáng)度。從本質(zhì)上說(shuō),放大器的逆變反饋有180度的相移,放大器開環(huán)增益的主極有90度的相移。高頻或非支配極引入大約20至40度的相移,但可以引入更多或更少的相移取決于設(shè)計(jì)。

外部相移是指外部元件在反饋回路中引入的相滯.

在工藝、溫度和分量公差上,非顯性極和外部分量可以引入不同數(shù)量的相移,從而使設(shè)計(jì)不穩(wěn)定。 圖3 說(shuō)明高水平循環(huán)穩(wěn)定性的變化,同時(shí) 圖4 更清楚地說(shuō)明它。

圖3 循環(huán)相移在高水平上表現(xiàn)出穩(wěn)定性.

圖4 這是一個(gè)擴(kuò)大版的環(huán)路相移.

穩(wěn)定放大器

單增益穩(wěn)定放大器的設(shè)計(jì)是穩(wěn)定的,當(dāng)用作一個(gè)緩沖區(qū)的噪聲增益(或非逆變?cè)鲆?為1,并將有更多的相位邊緣增加增益。即使從差動(dòng)放大器獲得的額外增益可以增加相位邊緣,但是在反饋回路中加入更多的外部電容負(fù)載會(huì)使放大器變得稍微穩(wěn)定或完全不穩(wěn)定。

在運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表中( 圖5 演示了一個(gè)示例),您可以看到有一個(gè)相位邊緣的規(guī)范,但它適用于指定的負(fù)載電容和負(fù)載電阻。

圖5 顯示了LM2904B運(yùn)算放大器相位邊緣的數(shù)據(jù)表規(guī)格。

如果這些條件改變,相差也會(huì)改變。隨著電容負(fù)載的增加,負(fù)載電容與放大器的內(nèi)部輸出阻抗相互作用,在反饋回路中引入一個(gè)極,從而引入相位滯后。

在實(shí)現(xiàn)A的情況下,放大器的內(nèi)部輸出阻抗與反饋電阻串聯(lián),然后在反饋回路中形成電阻-電容(RC)延遲。與簡(jiǎn)單的輸出電容負(fù)載相比,這將引入更多的相位延遲。

即使在實(shí)現(xiàn)A中只放置差動(dòng)電容C1,您也可以看到顯示附加相位滯后的小信號(hào)等效電路。 圖6 是一個(gè)簡(jiǎn)單的近似,但簡(jiǎn)化有助于理解一般的行為。在這種情況下,由于非逆變輸入是直流值(在小信號(hào)分析中是接地的),C1現(xiàn)在變成了反饋回路的接地電容,通過引入相位時(shí)滯仍然會(huì)降低回路的穩(wěn)定性。

圖6 運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單逼近有助于理解一般行為。

通過對(duì)電路的分析,可以看出實(shí)現(xiàn)的潛在危害之一.集成儀表放大器和集成差分放大器的微分和共模濾波的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)A。那么為什么添加這些電容器不會(huì)對(duì)這些設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響呢?原因是電容沒有被放置在反饋環(huán)中,因此沒有引入相位滯后的循環(huán)。

三放大器儀表設(shè)備僅具有外部連接的非逆變輸入,因此在非逆變輸入上添加電容不會(huì)降低相位邊緣。 圖7 顯示了儀表放大器的內(nèi)部示意圖,它表明在+中添加電容不會(huì)影響反饋回路。

圖7 簡(jiǎn)化的內(nèi)部示意圖說(shuō)明了一個(gè)儀表放大器。

圖8 顯示了集成差分放大器的內(nèi)部示意圖。這個(gè)集成的差分放大器有一個(gè)電阻(R 在…中 )在放大器的輸入電容和逆變輸入之間,該放大器從濾波電容器引入的相位時(shí)滯中隔離后者,然后隔離反饋環(huán)。

圖8 簡(jiǎn)化的內(nèi)部示意圖說(shuō)明了一個(gè)集成的差分放大器。

同樣的原則說(shuō)明實(shí)現(xiàn)B如何改進(jìn)實(shí)現(xiàn)A,如圖1所示。

圖1中的R5隔離了由C1和C3引入的相位滯后的逆變輸入。即使這些電容值被改變,這個(gè)電阻將有助于保持循環(huán)的穩(wěn)定性。如果C1、C2和C3的值足夠小,則實(shí)現(xiàn)A不會(huì)總是變得不穩(wěn)定。實(shí)際上,已經(jīng)有一些電容器,就像操作放大器所固有的那樣。

查看TLV9002運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表 圖9 ,你可以看到,有一個(gè)5PF差動(dòng)電容器和一個(gè)1.5PF共模電容。這些不是有意放置的,但是,這些是存在于輸入微分對(duì)門上的寄生電容。

圖9 數(shù)據(jù)表規(guī)范顯示了差速器和共模電容。

在運(yùn)算放大器的輸入上直接添加外部濾波電容,使現(xiàn)有的寄生電容并行增加電容。它可能并不總是導(dǎo)致電路不穩(wěn)定,但它仍然會(huì)對(duì)相位邊緣產(chǎn)生負(fù)面影響。

過濾電容效應(yīng)

現(xiàn)在,讓我們來(lái)研究在多個(gè)實(shí)現(xiàn)中,濾波器電容對(duì)電路相位邊緣的影響。 圖10 顯示模擬電路。模擬在PSPICE中進(jìn)行。這個(gè)項(xiàng)目可以幫助模擬許多不同的放大器實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性。

圖10 對(duì)鈦進(jìn)行交流分析,對(duì)差動(dòng)輸入電容器進(jìn)行分析.

使用PSPICE中的帕拉姆塊可以很容易地向組件分配變量值。具有可變值的組件在括號(hào)中{}中表示,并在參數(shù)下分配:語(yǔ)句.

圖11 和 圖12 顯示放大器反饋環(huán)的前置圖和反饋環(huán)的相位邊緣。該電路具有一個(gè)小的CFILL_D,相位邊緣為88度,比建議的45度相邊緣要大。換句話說(shuō),這個(gè)電路是穩(wěn)定的。

圖11 顯示了10pf差動(dòng)電容電路(CFERT_D=10pf)的波德圖。

圖12 圖10所示的電路的計(jì)算相位邊緣。

圖13 顯示此電路的相位邊緣,當(dāng)CFLF_D從1F增加到100NF時(shí)。相位邊緣顯著減小,漸近接近0.該電路在輸入之間的電容約為1NF后,相位邊緣小于45度。

圖13 當(dāng)差動(dòng)濾波器電容增加時(shí),曲線標(biāo)記相位邊緣的參數(shù)分析.

前兆圖和相位邊緣

現(xiàn)在,讓我們分析實(shí)現(xiàn)A,它在 圖14 用于開環(huán)交流分析和測(cè)量產(chǎn)生的相位邊緣.

圖14 圖所示為差放大器實(shí)現(xiàn)A。

圖15 和 圖16 顯示反饋環(huán)的波德圖和計(jì)算的相位邊緣。

圖15 圖14顯示了前兆圖。

圖16 圖15顯示了預(yù)測(cè)圖的計(jì)算相位邊緣。資料來(lái)源:德克薩斯儀器公司

實(shí)現(xiàn)A具有75NF的差動(dòng)電容和7.5NF的共模電容有-0.131度的相位邊緣和將不穩(wěn)定。要在實(shí)現(xiàn)B、R2和R3中創(chuàng)建一個(gè)等效電路,必須將其分成一半(分為R2和R8,以及R3和R9),而且必須將CFLT_MC和CFERT_D加倍。將電阻值減半,將電容加倍,在保持濾波器截止頻率的同時(shí),保留了電路的增益。

圖17 使用實(shí)現(xiàn)B保留實(shí)現(xiàn)A的功能.

圖17 顯示了鈦原理圖的差放大器實(shí)現(xiàn)B。

實(shí)現(xiàn)b有一個(gè)15nf的共模濾波器電容器和一個(gè)比共模電容器大10倍或150nf的差動(dòng)濾波器電容器。此電路在功能上等于實(shí)現(xiàn)A.設(shè)置C文件_D等于C文件_cm的10倍,這樣就可以更容易地進(jìn)行參數(shù)分析,只掃描一個(gè)變量,并保持C文件_D和C文件_cm的相對(duì)尺寸。

為了模擬濾波器的移動(dòng)頻率,將CFILT_cm從1F向100NF進(jìn)行參數(shù)性掃掃(并將CFFL_D從10P掃掃到1VM)。當(dāng)最壞情況值為300伏安時(shí),相位邊緣永遠(yuǎn)不會(huì)低于70度。請(qǐng)注意,R8必須足夠大,足以將反饋環(huán)與濾波器電容隔離開。

圖18 隨著共模濾波器電容的增加,對(duì)相位邊緣進(jìn)行了參數(shù)分析。

可以用參數(shù)分析R8的最小可接受尺寸。保持輸入濾波器RC常數(shù)和R8和R9的增益將得到一個(gè)相等的比較,確保R2和R8的總和等于1KDH,而結(jié)果的R2和C3的乘積保持在7.5-6。這些規(guī)則保留了圖17中電路的相對(duì)大小。 圖19 顯示在一個(gè)越來(lái)越小的R8和R9上的相位邊緣圖。

圖19 相位邊緣的參數(shù)分析顯示為RIN2遞減。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中,任何小于75分的R8值產(chǎn)生的相位差小于45度,這被認(rèn)為是略微穩(wěn)定的。它表明實(shí)現(xiàn)B有助于解決A的潛在缺點(diǎn)。

兩個(gè)設(shè)計(jì)考慮

在比較離散差分放大器濾波方法時(shí),設(shè)計(jì)工程師可以降低放大器電路常見實(shí)現(xiàn)中的潛在誤差。在向放大電路添加輸入濾波時(shí),考慮這兩點(diǎn)。

首先,避免直接放置輸入濾波器電容器--包括電容器之間的投入或直接到地面。第二,確保內(nèi)和濾波器電容器之間的電阻足夠大,足以將濾波器的電容負(fù)載與反饋回路隔離開。