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电压跟随器输出不稳定问题,怎么仿真

Other Parts Discussed in Thread: OPA4340

我有一个电路设计是稳压电源+电压跟随器(OPA4340),提供采样调理电路的偏置电压,偏置电压部分的电路如下图1所示。

但测量后发现电压跟随器输出电压不稳定,例如,1.5V处(U1B输出),用示波器测量电压是波动的,如下图3。经过调试修改,去掉了与运放输出直接连接的电容C2、C3,电压才变稳定。

因此怀疑电容负载导致电压跟随器这一块电路不稳定,因此用TINA做仿真,如下图2所示,仿真中电路是稳定的,相角裕度有78度。请教该怎么通过仿真或测试,从理论上解释我遇到的这种不稳定的问题。

图1  电路原理图

 

图2  TINA仿真AOLB曲线

图3 电压跟随器后的电压波形,存在严重波动

  • 您好,
    C58d电容、示波器输入电容和电路板上的寄生电容等也会对环路产生影响。
  • 也许共地也是问题, 示波器的地和 板的地之间压差问题也是个测量系统导致的因素

  • 谢谢您的回复。我把示波器的地线掰掉了,还是有这种现象,电压波动可以确定是实际存在的。我观察软件对这个电压的采集,也是存在较大波动。波形中有一些很抖的斜率段,像是电压芯片在对输出电压做保护。
  • 仿真与实际电路并不一样;C3等位置引起的寄生参数也是引起不稳的重要原因。仿真与实物差异也是必然。

    关于这个电路;有两点是致命的。

    1、这种高频运放不适合用直接输出与负反馈直接;本身就是大风险设计。

    2、运放口直接接电容。运放闭环后;输出内阻趋向0,接电容有啥意义?反到因电容电流移相;导致电路不稳。

  • 朋友,第一条描述能不能帮忙解释下,谢谢!
  • 非常感谢!按照我对您答疑的理解,高频运放因为带宽高、响应速度快,所以稳定性更低,是这个道理吗?

  • 谢谢您的解答!
  • 你的仿真分析不正确。

    数据手册中的Aol是在输出接Vs/2的情况下绘制的,所以你做仿真的时候要先验证Aol增益是否和数据手册中的吻合,然后再做Aol修正。

    以下是我的仿真,Aol在低频是大致是120dB,也与数据手册吻合。

    Aol环路修正后,加入了一个零点和一个极点,单从仿真来看,确实有75度左右的相位裕度,不过如果你加大C3电容,就会发现相位裕度急剧下降,22欧姆的电阻能够修正100nF电容带来的不稳定,但是1nF的电容却没有被修正。OPA4340的容性负载虽然比1nF大一点,但毕竟较大的容性负载会使环路相位裕度降低。

    并且BAV199也是有寄生电容的,这些综合起来就使环路更加不稳定。

    22欧姆电阻和100nF形成的低通滤波器转折频率达到72kHz左右,这又有什么作用呢?

    建议去掉1nF的C3电容,将100nF的电容减小到10pF或者100pF。

    这里是我的仿真文件:

    OPA4340.tsc

  • 您好,谢谢您的解答,有一个疑问,我在仿真时,去掉了1nf的C3电容,若将100nf的电容减小后,相位裕度会降低(用您的仿真文件仿真也是这个结果),您建议将100nf减小至10pf或100pf是基于什么的考虑,期待您的回复,谢谢!
  • 亲;在高频电路里,PCB线与其讲是短路线;说成传输线更接近实际。短连线会称为正反馈的一部分,会形成驻波振荡。有电阻串联后;由于电阻阻尼;能有效消除这种潜在风险。

  • 没错,减小了电容之后相位裕度确实变低了,但是带宽会增加。100nF的电容和22欧姆串联电阻以及运放的输出电阻共同作用引入第二极点,100nF和22欧姆电阻又会引入一个零点,只要零点和第二极点放的够近,他们就会相互抵消,相位裕度大致可以达到80-90度,但是呢,这需要牺牲很大的带宽,这时候的带宽可能不足100kHz。将100nF的电容换成100pF的电容后。第二极点和零点都会向后移,这个极点产生的影响已经在0dB之后了,产生的影响也不会使运放的相位裕度低于45度,带宽也不会太低。

    通常我们总是避免在运放输出端加大的容性负载,像这样人为添加100nF的做法,并不推荐,当然第二极点和零点选的好,又对带宽要求不高的话,可以使用,不过不是最好的选择罢了。

  • 您好,感谢回复!在去掉紧跟在运放后面的电容C3后,效果变好很多,但仍有波动,且有一个特别的现象:在温度-1摄氏度时,AD芯片采集了该电压,发现波动较大,换算后约50mV,随着温度逐渐上升到5摄氏度,波动逐渐变小至消除。如下图为软件通过AD采集的值,可见,设备从室外抬到室内,温度逐渐上升,波动逐渐减小。因为条件所限未用示波器抓取实际波形。