运放输入网络ZI与反馈网络ZF及实例分析

1、 理论分析

图1为SPICE运放环路增益测试电路。LT提供直流闭环电路，因为每个交流SPICE分析必须首先进行直流分析。进行交流SPICE分析时，随着频率增加CT将逐渐变成短路，而LT将逐渐变成开路，因此可用同一仿真程序运行所有运放电路的交流稳定性分析。利用图1中计算公式可求得运放Aol、环路增益以及1/β的幅度与相位曲线。尽管可以采用其他方法“打破环路”进行交流分析，但图1所示方法证明误差最小。

图1 运放环路测试电路：

运放Aol增益=dB[VM(2)/VM(1)]

运放Aol相位=[VP(2)-VP(1)]

环路增益=dB[VM(2)/VM(3)]

环路增益相位=[VP(2)-VP(3)]

1/β=dB[VM(3)/VM(1)]

1/β相位=[VP(3)-VP(1)]

图2 运放网络：ZI输入网络、ZF反馈网络

2、 PS：ZI and ZF ZI和ZF网络分析——高频闭环增益降低但相位提升

ZF网络分析——高频闭环增益降低但相位提升：首先对图3所示ZF网络进行1阶分析，该网络为运放电路中的反馈网络，其中Cp在低频上为开路，且低频1/β变成简单RF/RI。而在其他极端频率上(例如高频)，Cp为短路且高频1/β变成(Rp//RF)/RI。当Cp短路时由于Rp<

图3 ZF网络分析电路

1/β低频=RF/RI=100→40dB：Cp在低频时开路;

1/β高频=(Rp//RF)/RI≈10→20dB：Cp在高频时短路;

当Xcp=RF时1/β出现极点： fp=1kHz;

当Xcp=Rp时1/β出现零点：fz=10kHz

ZF反馈网络开环测试电路

交流仿真设置

Cpv参数仿真设置

Cpv=1p无补偿时的环路波特图：低频相位为90度

Cpv=1.59n有补偿时的环路波特图：相位大于90度：

通过正确计算补偿网络，在所需频率点进行补偿

ZF闭环频率特性测试电路

Cpv=1p无补偿时的闭环波特图

Cpv=1.59n有补偿时的闭环波特图

ZI网络分析——高频闭环增益增大但相位降低：首先对图4所示ZI网络进行1阶分析。该电路为运放电路中的输入网络，其中Cn在低频时开路，并且低频1/β=RF/RI。高频时Cn短路，此时1/β=RF/(RI//Rn)。Cn短路时由于Rn<

图4 ZI网络分析电路：

1/β低频=RF/RI=10→20dB，Cn在低频时开路;

1/β高频=RF/(RI//Rn)≈100→40dB，Cn在高频时短路;

当Xcn=RI时1/β存在零点，fz=1kHz;

当Xcn=Rn时1/β存在极点，fp=10kHz

ZI输入网络开环测试电路

交流仿真设置

Cnv参数仿真设置

Cnv=1p无补偿时的环路波特图：相位90度

Cnv=15.9n有补偿时的环路波特图：相位小于90度，

通过正确计算补偿网络，在所需频率点进行补偿

ZI闭环频率特性测试电路

Cnv=1p无补偿时的闭环波特图：增益和相位低频保持恒定

Cnv=1.59n有补偿时的闭环波特图：增益提升、相位降低

3、 PS：DesignExample ZF补偿网络设计实例分析

频域开环测试电路

交流仿真设置

瞬态仿真设置

无补偿时环路伯特图fz1=100meg：相位裕度10度，电路不稳定

无补偿时环路伯特图fz1=100meg：时域仿真电路振荡

有补偿时环路伯特图fz1=40k：相位裕度51.7度，电路稳定

Fz1=40k有补偿时输入、输出波形：电路稳定工作

4、 实际测试：(待整理)

负载特性、输入源特性、参考源调节——测试波形与数据相结合，然后与仿真对比

5、 总结：

利用ZI和ZF网络对运放电路进行反馈补偿，使得放大电路稳定可靠工作!

6、 附录——关键仿真器件模型