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對OP AC特性仿真Bench的理解

CHANBAEK ? 來源:肥肥牛是只虎 ? 作者:肥肥牛是只虎 ? 2023-05-23 18:26 ? 次閱讀

下圖是我們常見的用于仿真OP的AC特性(DC增益、GBW等)的Bench。我們通過在OP的輸出和輸入之間串聯一個一階RC網絡(R、C值通常都很大)的形式組成一個閉環系統,而我們需要的其實是OP的開環特性。

wKgZomRshbyATIgmAAAlbiPDqqg820.jpg

本文試圖弄明白以下幾個問題:

為何通過閉環的方式可以得到OP的開環AC特性?

R、C對仿真結果有什么影響?

R、C要取大,那到底要多大?這個問題和上面的問題關聯度很大。

問題很基礎,過程很重要,答案不簡單。

先推導這個Bench的閉環傳函:

這是一個電壓-電壓負反饋,其閉環系統的傳函可以用標準反饋方程Y/X=G/(1+G*β)來統一。

第一步:先斷環,考慮加載效應,見下圖

wKgZomRshbyANWhwAAAsQ5lFkJg746.jpg

第二步:計算前饋增益G(s),對于VV反饋,其實就是OP的開環增益,如下:

wKgaomRshbyAF0kGAAA1X9biTVM603.jpg

第三步:計算反饋系數β(s)

wKgaomRshbyAE9vbAAAPKZmzAWE991.jpg

第四步:計算閉環增益A(s),A(s)=G(s)/(1+G(s)*β(s))

wKgaomRshbyAa15oAABRntGvbu4425.jpg

至此,我們得到整個系統的閉環傳函,上面的推導過程中僅僅做了如下近似:

RC>>RoC,且RC>>RoCo,

由于R和C都是很大的值,這個近似誤差可以忽略不計。

接下來,該分析閉環傳函了

我們嘗試盯著閉環傳函A(s)的表達式看,能看出點啥?

閉環傳函有一個LHP零點:z=-1/RC

閉環傳函分母是一個標準的二階形式,有2個根,對應著2個LHP極點,

假設分母的兩個極點分別為p1和p2,且|p1|<<|p2|,則

p1+p2=-1/(Ro*Co)≈p2

p1 p2=Ao/(Ro R C Co)

聯合上面兩個式子,不難得到:

p1=-Ao/(R*C)

p2=-1/(Ro*Co)

至此,我們得到了整個閉環系統的零極點分布情況,總結下:

z=-1/(RC)

p1=-Ao/(R*C)

p2=-1/(Ro*Co)

wKgZomRshbyAIOVeAAAQO0oiYuM062.jpg

不難看出,p2是OP本身的輸出極點,z和p1的頻率極低,構成一對低頻零極點對。當頻率遠>這一對零極點對之后,A(S)可以簡化為:

wKgaomRshbyAPUV4AAANPX_AQcs237.jpg

繼續盯著這個表達式看,這個表達式什么意思?

這不就是我們想要的OP的開環AC特性嗎?

我們費盡千辛萬苦,終于在這一步得到我們想要的。

畫個圖,可以看得更直觀:

wKgZomRshbyABUvcAAAofiCYs68183.jpg

行文到此,問題基本上說清楚了,我們回到文章開頭的幾個問題,這時候應該有答案了吧!

對于RC的取值問題,我們要保證Ao/(RC)<<1/(Ro*Co)即可。

舉個例子:

R1=10^12,

C=1,

OP增益Ao=1000倍(60dB),

則RC造成的低頻極點為1000/(10^12)=10^(-9),是一個極低頻率的值,低到我們可能壓根兒都沒發現它的存在。因為我們在跑AC的時候會給定一段頻率,比如從1Hz~1GHz,也就是說低于1Hz的波形我們壓根兒就沒看,所以我們跑完AC觀看波形的時候會發現AC曲線低頻是平的,并沒有我們文章所講的一對低頻零極點。看官如果想看到這一對零極點,從很低頻的部分開始跑AC即可,或者把RC的取值取小一點兒。

直觀解釋

終于到了群眾喜聞樂見的“直觀解釋”環節了,先把Bench拷貝過來,對照著說。

wKgZomRshbyATIgmAAAlbiPDqqg820.jpg

OP正輸入端AC=1

OP負輸入端AC≈0,為什么呢?因為C很大,阻抗1/(sC)很小,頻率稍微高一點,就近似于短路

R的作用:通直流隔交流,R可以將OP的輸出和負輸入短路,建立直流工作點。但是對于AC而言,大R基本不構成加載效應,不會影響OP增益。

OP正負輸入AC=1,所以直接觀察OP輸出Vo就可以得到OP的增益的開環AC特性。

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