复合放大电路频域与时域稳定性分析

1、 主要内容：对双运放构成的复合放大电路进行频域与时域工作特性分析

2、 PS——Test1：反馈超前补偿复合放大器电路测试

频域开环测试电路

频域闭环测试电路

时域测试电路

参数设置

第1步：频域稳定性仿真测试：

交流仿真设置

Cfv=16.1p、fp1=10meg时相位裕度pm=50

Cfv=50.8p、fp1=10meg时相位裕度pm=77

第2步：时域稳定性仿真测试：增加外部极点fp1=1meg

瞬态仿真设置

补偿电容参数设置

仿真波形：V(IN1)@1——输入信号

V(OUT1)蓝色——Cfv=50.8p时输出波形

V(OUT1)绿色——Cfv=16.1p时输出波形

(V(IN1)@1) *100——理想输出波形

总结：相位裕度越大输出越稳定

第3步：频域稳定性仿真测试：增加外部极点fp1=35k

Cfv=50.8p、fp1=35k时相位裕度=0

如果fp1在1k—10k，振荡更加严重——饱和

第4步：时域稳定性仿真测试：增加外部极点fp1=35k

瞬态仿真设置

(V(IN1)) *100——理想输出波形

V(OUT1)——Cfv=50.8p、fp1=35k时输出波形

Cfv=50.8p、fp1=35k时输出振荡

(V(IN1)) *100——理想输出波形

V(OUT1)——Cfv=50.8p、fp1=10k时输出波形

Cfv=50.8p、fp1=10k时输出严重振荡

3、 PS——Test2：第2级运放提供补偿型复合放大器电路测试

参考资料：

频域开环测试电路

频域闭环测试电路

时域测试电路

运放模型参数设置

第1步：频域开环稳定性仿真测试：

交流仿真设置

复合运放截止频率78kHz、相位裕度52度

单运放截止频率9kHz、相位裕度90度

电路稳定工作!

20dB与40dB穿越线频率一致

当R9=2k、R10=8k时复合运放的相位裕度为76.5度、带宽47.8k;

提高相位裕度以牺牲带宽为代价!

第2步：频域闭环带宽仿真测试

复合运放-3dB带宽为125kHz、单运放-3dB带宽为9.6kHz：复合运放带宽大大增加

第3步：时域仿真测试

瞬态仿真设置

仿真波形：-V(IN1) *100红色——理想输出波形

V(OUT1)绿色——复合运放输出波形

V(OUT2)蓝色——单运放输出波形

总结：带宽越宽上升速度越快、相位裕度越大输出越稳定

4、 PS——voltage follower：复合放大器设计实例——高相位精度电压跟随器

参考资料

时域与频域测试电路

第1步：频域测试

交流仿真设置

100kHz时复合运放相位降低0.057度、单运放降低5.7度

复合运放具有更高的相位精度，但产生增益尖峰

第2步：时域仿真测试——输入脉冲电压时的输出响应

瞬态仿真设置

仿真波形：V(IN)红色——输入波形

V(OUT1)绿色——复合运放输出波形

V(OUT2)蓝色——单运放输出波形

总结：复合运放与输入信号更加一致，但调整期间存在过冲;

复合运放45度相位裕度、单运放90度相位裕度!(按照PS：Test2自行测试)

5、 PS——ItoV transfer：复合放大器设计实例——10V/mA高灵敏度I—V转换器

参考资料：

时域与频域测试电路

第1步：频域测试

交流仿真设置

复合运放产生增益尖峰

第2步：时域仿真测试——输入脉冲电流时的输出响应

瞬态仿真设置

仿真波形：I(I1) *10k红色——理想输出波形

V(OUT1)绿色——复合运放输出波形

V(OUT2)蓝色——单运放输出波形

总结：复合运放与理想输出更加一致，但调整期间存在过冲;

第3步：直流仿真测试——输入电流源线性变化时的输出响应

直流仿真设置

仿真波形：

I(I1) *10k红色——理想输出波形

V(OUT1)绿色——复合运放输出波形

V(OUT2)蓝色——单运放输出波形

总结：三者完全重合，直流工作时复合运放与单运放性能基本一致

6、 PS——Diff Amp100：复合放大器设计实例——100倍直流增益差分放大电路

(复合运放与单运放差分放大对比)

参考资料：

时域与频域测试电路

第1步：频域测试

交流仿真设置

差模增益39.992dB，高频出现增益尖峰

共模增益-60.095dB，高频出现增益尖峰

第2步：时域仿真测试——输入脉冲电压时的输出响应

瞬态仿真设置

仿真波形：V(VD:+,VD:-) *100红色——理想输出波形

V(OUT)绿色——复合运放输出波形

总结：复合运放与理想输出信号基本一致，但调整期间存在过冲和延迟

第3步：直流仿真测试——输入电压线性变化时的输出响应

VD差模信号直流仿真设置，VC=0

仿真波形：V(OUT)绿色——复合运放输出电压波形

总结： 100m——9.99V：存在0.1%计算误差

VC共模信号直流仿真设置，VD=0

仿真波形：V(OUT)绿色——复合运放输出电压波形

总结： 100m——99uV

7、 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

8、 总结：

频域与时域特性一致;频域相位裕度足够时电路稳定工作，否则电路振荡!

9、 附录——关键仿真器件模型

模型lib