您的运算放大器或FDA设计有多稳定?

任何终端系统设计最重要的一个方面是理解和改进(如有必要)每个阶段的标称相位裕度。从运放开发的早期开始,在LG = 0dB交叉处分析环路增益(LG)的相位裕度(PM)已成为设计工具包的基本部分(参考文献1)。

通过器件的开环响应跟踪小信号响应,然后通过反馈网络返回到输入端形成误差信号的位置,这将使LG围绕环路,其中关键评估是环路周围发生了多少相移。总LG = 1V / V(或0dB)的频率。如果该相移等于或大于180度,则环路不稳定。通常情况下,设计不应在环路周围发生大于150度的相移,或<30度的相位裕量。该分析的一个新方面是当今的轨到轨(RR)输出设计的高反应性开环输出阻抗。早期的运算放大器具有低开环输出阻抗,而许多最近的RR器件显示出强烈的频率相关输出阻抗。该开环输出阻抗与反馈阻抗并联地分压负载,以将额外的衰减和相移引入环路。即使是如图1所示的相对简单的电路也会因此影响进入相位裕度问题。该仿真使用TINA(参考文献2)来执行宽频率范围的闭环小信号响应。

 

图1
增益为3,具有850kHz反馈极点和简单的差分500Ω负载。
增益为3,具有850kHz反馈极点和简单的差分500Ω负载。

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这种单端输入到差分输出FDA电路使用的是一种功耗极低的宽带电压反馈THS4551(参考3)器件。虽然反馈电容器正在产生所需的850kHz低通极点,但进一步观察频率会在165MHz处产生令人不安的谐振。该电路实际上是振荡的,因为图2中的高反应性开环输出阻抗与反馈阻抗相互作用,并且由于那些反馈电容器在较高频率下将噪声增益(1 /β)降低到1V / V. 要查看图1的结果,必须将正确的开环增益和相位响应以及开环输出阻抗合并到供应商模型中 - 就像THS4551一样。

图2
THS4551开环差分输出阻抗(下面参考3数据表链接中的图68)。
THS4551开环差分输出阻抗(下面参考3数据表链接中的图68)。

设置环路增益模拟。

任何开环仿真都需要首先为设备建立直流工作点,该工作点通常是电源的中间电平。一种常见的方法是将DC电平添加到输入AC信号,该输入AC信号恰好使设备输出电压居中,然后可以运行小信号AC仿真。虽然可能,找到准确的电压来抵消设备直流偏移可能是一件单调乏味的事情。更快的方法是使用极端的L和C值来首先建立居中的DC工作点,然后为AC仿真提供步进阻抗偏移。有几个地方可以打破这个模拟的循环,其中首选的“输入”断点如图3所示。图3中圈出了几个添加的元素,有助于设置和运行该模拟。模拟设置评论:

  1. 电源分压为+/- 2.5V,此类FDA设备的输出共模控制(V ocm)设置为中间电平。
  2. 9.97kH反馈电感提供短路DC,然后立即在第一个小信号AC频率步进点打开。此DC短路确保FDA I / O引脚全部在输出V ocm控制环路的直流接地上工作。
  3. 9.97kF输入电容在DC开路时注入小信号AC激励,允许反馈电感设置DC工作点。

该模拟用于在Vinn和Vinp处注入差分小信号激励,然后通过FDA开环增益获得增益(参考文献3的数据表中的图66和67),通过开环输出阻抗衰减和相移。输出所见的总负载,然后被分频并相移回到Voutn和Voutp处的差分测量点。这种激励和测量恰好是相位裕度评估所需的环路增益,如图3所示。其中,LG幅度绘制在顶部,0dB交叉位于170Mhz。然后以相同的频率探测下相位曲线,以显示环路周围过度-185度的相移。

图3
图1电路的环路增益仿真,输入节点处的环路断开。
图1电路的环路增益仿真,输入节点处的环路断开。

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带圆圈的元素是DC工作点收敛或模拟问题所必需的(或帮助)。

  1. 差分激励需要一条直流路径(10MΩ)接地,因为它们只连接到直流隔离点。
  2. 与电感器串联的100Ω有助于直流收敛,并减少交流仿真中的“数值颤动”。
  3. 类似地,L和C上的奇数值以及小的0.2Ω输出R'减少了“数值颤动”。如果没有这种方法,像THS4551这样的更复杂的模型通常会显示“嘈杂”的AC模拟。
  4. 最重要的是,每当像这样断开一个回路以查看LG时,阻抗现在位于隔离LC内部,但通常是实际回路增益响应的一部分,需要将其置于LC隔离之外并手动放置在它们所在的位置通常会出现。在输入节点处断开环路只需要在环路增益测量点(通常是闭环模拟中的求和点)中手动添加指定的差分输入阻抗,如图3所示。

实际上,图3的环路增益仿真显示了在170Mhz处LG = 0dB的环路周围185度 - 非常接近图1的闭环响应峰值。这种LG模拟已经证实图1的简单电路实际上是不稳定的。图2中增加的一个有用结果是通过在500Ω负载电阻上放置一个差分电表来报告THS4551模型的负载开环增益和相位。
 

LG模拟的替代方法

一些消息来源提出了与图3类似的方法,但在输出处断开了循环。图4显示了使用图1相同电路的一个例子。这里,环路被输出引脚上的电感器和注入反馈网络的信号断开,形成通过反馈分频器的路径,然后通过放大器的开环前进在器件输出引脚处测量增益和相位。

 

图4
LG模拟环路在输出引脚处断开。
LG模拟环路在输出引脚处断开。

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该仿真还显示了相位裕度问题,但在207Mhz LG = 0dB交叉 - 与图1的谐振不匹配。如图5所示断开环路不包括开环输出阻抗与反馈负载相结合的影响 - 它确实可以看到500Ω负载,但为了模拟精度,还应包括反馈负载。在器件具有低开环输出阻抗或负载占反馈阻抗的情况下,这种方法可以很好地工作。请注意,图4的方法直接包括THS4551型号内部的差分输入阻抗(参考文献4) - 因此不会单独拆分。

为了使这种方法更准确,将电感直接放在输出端,然后为开环输出阻抗添加模型,驱动负载和反馈阻抗。那将需要用于图2的阻抗的RLC模型(参考文献5)。虽然这些RLC元素包含在THS4551 TINA(参考文献4)模型中,但数据表中没有明确列出。差分输入阻抗在THS4551的输入规范中有详细说明 - 使用图3的方法简化LG仿真任务。

结论:

 

使用此处显示的技术可以轻松地评估现代高性能运算放大器和FDA的相位裕量。这是设计评审过程中的关键步骤,可靠地产生这种模拟是战斗的一半。供应商模型确实需要包含所有必需元素才能准确。新的RR输出级在简单的电路中引入了比预期更多的相位裕度问题。快速评估这将简化解决过程。在随后的讨论中将讨论在图1的电路中解决相位裕度问题的下一步骤。

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