更仔细地查看离散差分放大器实现

[导读]本文将比较离散差分放大器的两种滤波方法.执行情况a,见图1 ,在遗留系统中很常见,但可能有一些设计缺陷。执行情况b,见图2 提供了一种改进,可以减小放大器电路中常见的误差。但为什么需要改进呢?如何改进电路,如图2所示?

差动放大器是一种常用的电路,用于从工厂自动化到电动车系统的各种应用。这主要是因为它有助于在吵闹的环境中为设计添加公共模式和差异滤波。

本文将比较离散差分放大器的两种滤波方法.执行情况a,见图1 ,在遗留系统中很常见,但可能有一些设计缺陷。执行情况b,见图2 提供了一种改进,可以减小放大器电路中常见的误差。但为什么需要改进呢?如何改进电路,如图2所示?

图1 差异放大器实现A是常见的遗留系统。

图2 差异放大器实现b减少了实现中可能出现的错误.

首先,让我们快速回顾一下循环稳定性以及什么导致放大电路不稳定。影响运算放大器稳定性的主要因素有三个:

· 内在相移

· 外部相移

· 前两个过程、温度和分量公差的随机变化

当将随机和不可预测的变化应用到系统时,相位边缘代表设计的强度。从本质上说,放大器的逆变反馈有180度的相移,放大器开环增益的主极有90度的相移。高频或非支配极引入大约20至40度的相移,但可以引入更多或更少的相移取决于设计。

外部相移是指外部元件在反馈回路中引入的相滞.

在工艺、温度和分量公差上,非显性极和外部分量可以引入不同数量的相移,从而使设计不稳定。图3 说明高水平循环稳定性的变化,同时图4 更清楚地说明它。

图3 循环相移在高水平上表现出稳定性.

图4 这是一个扩大版的环路相移.

稳定放大器

单增益稳定放大器的设计是稳定的,当用作一个缓冲区的噪声增益(或非逆变增益)为1,并将有更多的相位边缘增加增益。即使从差动放大器获得的额外增益可以增加相位边缘,但是在反馈回路中加入更多的外部电容负载会使放大器变得稍微稳定或完全不稳定。

在运算放大器的数据表中( 图5 演示了一个示例),您可以看到有一个相位边缘的规范,但它适用于指定的负载电容和负载电阻。

图5 显示了LM2904B运算放大器相位边缘的数据表规格。

如果这些条件改变,相差也会改变。随着电容负载的增加,负载电容与放大器的内部输出阻抗相互作用,在反馈回路中引入一个极,从而引入相位滞后。

在实现A的情况下,放大器的内部输出阻抗与反馈电阻串联,然后在反馈回路中形成电阻-电容(RC)延迟。与简单的输出电容负载相比,这将引入更多的相位延迟。

即使在实现A中只放置差动电容C1,您也可以看到显示附加相位滞后的小信号等效电路。图6 是一个简单的近似,但简化有助于理解一般的行为。在这种情况下,由于非逆变输入是直流值(在小信号分析中是接地的),C1现在变成了反馈回路的接地电容,通过引入相位时滞仍然会降低回路的稳定性。

图6 运算放大器的简单逼近有助于理解一般行为。

通过对电路的分析,可以看出实现的潜在危害之一.集成仪表放大器和集成差分放大器的微分和共模滤波的标准实践是实现A。那么为什么添加这些电容器不会对这些设备产生负面影响呢?原因是电容没有被放置在反馈环中,因此没有引入相位滞后的循环。

三放大器仪表设备仅具有外部连接的非逆变输入,因此在非逆变输入上添加电容不会降低相位边缘。图7 显示了仪表放大器的内部示意图,它表明在+中添加电容不会影响反馈回路。

图7 简化的内部示意图说明了一个仪表放大器。

图8 显示了集成差分放大器的内部示意图。这个集成的差分放大器有一个电阻(R 在…中 )在放大器的输入电容和逆变输入之间,该放大器从滤波电容器引入的相位时滞中隔离后者,然后隔离反馈环。

图8 简化的内部示意图说明了一个集成的差分放大器。

同样的原则说明实现B如何改进实现A,如图1所示。

图1中的R5隔离了由C1和C3引入的相位滞后的逆变输入。即使这些电容值被改变,这个电阻将有助于保持循环的稳定性。如果C1、C2和C3的值足够小,则实现A不会总是变得不稳定。实际上,已经有一些电容器,就像操作放大器所固有的那样。

查看TLV9002运算放大器的数据表图9 ,你可以看到,有一个5PF差动电容器和一个1.5PF共模电容。这些不是有意放置的,但是,这些是存在于输入微分对门上的寄生电容。

图9 数据表规范显示了差速器和共模电容。

在运算放大器的输入上直接添加外部滤波电容,使现有的寄生电容并行增加电容。它可能并不总是导致电路不稳定,但它仍然会对相位边缘产生负面影响。

过滤电容效应

现在,让我们来研究在多个实现中,滤波器电容对电路相位边缘的影响。图10 显示模拟电路。模拟在PSPICE中进行。这个项目可以帮助模拟许多不同的放大器实现的稳定性。

图10 对钛进行交流分析,对差动输入电容器进行分析.

使用PSPICE中的帕拉姆块可以很容易地向组件分配变量值。具有可变值的组件在括号中{}中表示,并在参数下分配:语句.

图11 和图12 显示放大器反馈环的前置图和反馈环的相位边缘。该电路具有一个小的CFILL_D,相位边缘为88度,比建议的45度相边缘要大。换句话说,这个电路是稳定的。

图11 显示了10pf差动电容电路(CFERT_D=10pf)的波德图。

图12 图10所示的电路的计算相位边缘。

图13 显示此电路的相位边缘,当CFLF_D从1F增加到100NF时。相位边缘显著减小,渐近接近0.该电路在输入之间的电容约为1NF后,相位边缘小于45度。

图13 当差动滤波器电容增加时,曲线标记相位边缘的参数分析.

前兆图和相位边缘

现在,让我们分析实现A,它在图14 用于开环交流分析和测量产生的相位边缘.

图14 图所示为差放大器实现A。

图15 和图16 显示反馈环的波德图和计算的相位边缘。

图15 图14显示了前兆图。

图16 图15显示了预测图的计算相位边缘。资料来源:德克萨斯仪器公司

实现A具有75NF的差动电容和7.5NF的共模电容有-0.131度的相位边缘和将不稳定。要在实现B、R2和R3中创建一个等效电路,必须将其分成一半(分为R2和R8,以及R3和R9),而且必须将CFLT_MC和CFERT_D加倍。将电阻值减半,将电容加倍,在保持滤波器截止频率的同时,保留了电路的增益。

图17 使用实现B保留实现A的功能.