运放OPAX192环路稳定性测试与模型建立

1、 主要内容：测试OPAX192运放电路的稳定性及其模型建立

2、 PS：model test——利用数据手册建立运放OPAX192功能模型并进行频域仿真测试

视频：运放OPAX192模型建立与测试76A

运放OPAX192开环增益和相位与频率特性曲线

运放OPAX192开环输出阻抗与频率特性曲线

测试电路及运放模型

交流仿真设置

幅频域相频特性曲线

AMPSIMP——application库中的运放模型，更加实用，建议实际设计时使用!

Ro为运放模型的输出阻抗，实际测试时根据实际电路进行正确设置!

模型及参数设置——建议建立实际模型时重点使用该模型

Laplace与AMPSIMP对比，测试功能模型与物理模型频域特性

(Ro模拟运放输出阻抗)

Laplace与AMPSIMP频率特性一致：第1个极点为1Hz，与设置值fp1一致;

第2个极点由运放输出阻抗Ro和15pF负载电容CL决定—23Meg、28Meg

3、 PS：Large signal step——阶跃响应时域测试

视频：运放OPAX192放大电路大信号测试76B

3.1大信号阶跃响应时域测试：图39

大信号阶跃响应测试电路

大信号阶跃响应测试电路

瞬态仿真设置

大信号阶跃响应输入、输出电压波形

3.2 正阶跃10V稳定时间测试：图40

正阶跃10V稳定时间仿真电路

瞬态仿真设置

正阶跃10V响应输入、输出电压波形

输出与输入差值V(VOUT1)-V(VIN1)

正阶跃10V响应：ABS(V(VOUT1)-V(VIN1))——1.4us之后误差优于1mV

正阶跃10V响应测试波形与数据

图41 稳定时间(5V 正阶跃)

图42 稳定时间(10V 负阶跃)

按照上述仿真电路和方法对图41和图42进行测试(读者自行测试)

4、 PS：Precision reference source——精密参考缓冲(数据手册图69)

视频：精密参考源分析76C

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

输出，并且有充足驱动电流用于瞬态变化。对于图69 中所示的10μF
陶瓷电容器，RISO(一个37.4Ω的隔离电阻)可隔离两个反馈路径以实现最佳稳定性。反馈路径1 通过RF，直接连接到输出VOUT 端。反馈路径2
通过RFx和CF，连接到运算放大器的输出端。所示的对10uF 负载设计的优化稳定性组件能够对VOUT 提供4kHz
的闭环带宽，并且仍然提供89°环路增益相位裕量。任何其他负载电容都需要重新计算稳定性组件：RF、RFx 、CF 和RISO。

图69 精密参考缓冲电路

4.1 开环交流稳定性分析

精密参考源开环频域测试电路

交流仿真设置

Aol与1/Beta测试：闭合速度为20dB/dec——电路稳定工作

环路增益与相位曲线：相位裕度83度;

但在约400Hz时相位只有8度，补偿网络应重新设计(RF1=1k)

环路增益与相位曲线：相位裕度89度;

在约135Hz时相位为22.2度(RF1=20k)

4.2 闭环交流稳定性分析

精密参考源闭环频域测试电路

交流仿真设置

闭环-3dB带宽约为5.6kHz(RF1=1k)

闭环-3dB带宽约为776Hz(RF1=20k)

提高相位裕度以牺牲闭环带宽为代价!

4.3 时域仿真测试：输入参考为2.5V阶跃电压信号

精密参考源时域测试电路

瞬态仿真设置

输入参考与输出电压波形：约2ms之后输出误差优于1mV

5、 PS：TIDU026——利用运放OPAX192实现摆率限制功能

实际设计运放电路时一定要带宽与摆率同时满足，否则输出波形失真增大!

视频：利用运放OPAX192实现摆率限制76D

参考文献：TIDU026 Single Op-Amp Slew Rate Limiter.pdf

5.1 工作原理分析：闭环瞬态测试——SR=I(CF1)/CF1=(VCC/RI1)/CF1=20V/0.1s

工作原理仿真分析电路

瞬态仿真设置

各点测试波形及摆率测试数据：20V/0.1s

5.2 稳定性分析：开环频域测试

稳定性测试电路

RFv=1.6k：闭环速度为20dB/dec，fcl=100kHz;

电路稳定工作，但是在低频20Hz时相位裕度太低，存在隐患

RFv=1.6：闭环速度为40dB/dec，fcl=4.6kHz——电路不能稳定工作

5.3 稳定性分析：时域测试

时域稳定性测试电路

RFv=1.6k时输出正常——电路稳定工作

输入输出电压波形：输入信号阶跃变化时输出与输入一致，电路稳定工作

RFv=1.6时输出振荡——电路不能稳定工作

输入输出电压波形：输入信号阶跃变化时输出发生严重震荡

5.4 稳定性分析：闭环频域测试

闭环频域测试电路

RFv=1.6k时电路稳定工作，-3dB带宽约101kHz

RFv=1.6时电路不能稳定工作;

在4kHz—5kHz之间存在双极点，相位发生180度突变

摆幅与单位增益带宽：测试带宽时应使输出信号摆幅小于限制值!

摆幅与单位增益带宽：测试带宽时应使输出信号摆幅小于限制值!

输入信号为100Hz、0.3V时输入与输出波形一致

输入信号为100Hz、0.3V时输入与输出波形一致

最大摆率：20V/0.1s=200V/s

摆幅与单位增益带宽：测试带宽时应使输出信号摆幅小于限制值!

输入与输出电压波形

6、 PS：GBP test——闭环放大电路增益带宽积测试——GBW=10Meg(图17)

增益带宽积测试电路

交流仿真设置

增益Gain参数设置

输出电压DB(V(VOUT))即闭环增益曲线

Gain=1时-3dB带宽约9.3megHz

Gain=10时-3dB带宽约1.2megHz

Gain=100时-3dB带宽约98.7kHz

图17 闭环增益和相位与频率间特性曲线

7、总结：运放电路频域环路稳定分析与时域测试一致，包括响应时间、超调等等;该运放作为精密参考缓冲电路时负载电容可设置为10uF，此时双反馈补偿网络发挥作用;进行交流放大时，输入信号符合带宽的同时一定要满足摆率限制，否则输出信号发生畸变;实际工作时闭环带宽与稳定域度需要匹配，带宽增加时最小相位降低，存在不稳定隐患!