在用LM224AD(TI公司)构建单位负反馈(跟随器),为电流传感器提供1.8V基准电压源(见图1)的实际使用中出现了运输放大器输出振荡的现象。我做了一些简单的分析,还有很多疑问,请TI的各位大师不吝赐教。
图2 电流传感器内部示意图
一、电路描述
电流传感器内部集成了2.5V基准电压源,用户可以通过外接基准电压源。考虑到DSP采样量程,选择了1.8V作为基准电压源。电路中通过电阻分压形成1.8V,接入运算放大器的正相输入端,构建单位负反馈电路,期望运放能输出稳定的1.8V电压。
电流传感器内部示意图如图2(自己打开了电流传感器,内部电路和其示意图一致)。图1中的VG1为电流传感器内部2.5V上面叠加的纹波,在后面电路分析中需要用上,(我自己的理解,它可能是导致运放输出振荡的根源)。电路中R1(阻值1K)为运放输出端接的下拉电阻,接了1K的下拉就能稳定的输出1.8V(如图3),如果不接R1或者R1的阻值过大都会振荡(如图4)。
图3 接了1K的下拉电阻,运放输出稳定的1.8V
图4 不接下拉电阻运放输出波形出现振荡
我最开始的疑问就是:为什么不加下拉电阻R1,LM224输出端1脚会振荡?
尽管通过下拉电阻解决了这个问题,电路基本可用,但我还是希望能了解此现象形成的原理,以及为什么仿真(TINA软件)不能很好的重现此现象。应该是自己在运放稳定性方面还没有入门,所以不能解释其原因。期望通过您的帮助,得以入门。
一、电路分析及实验
自己推测:LM224不是“单位增益稳定”的运算放大器,而OP07是“单位增益稳定”的运算放大器。OPA228也不是“单位增益稳定”的运算放大器。手册上要求OPA228必须放大五倍。下面摘抄了关于“单位增益稳定”的判断方法:
在开环频率响应图上,在开环增益下降到0db的时候,如果运放的相位转移小于180°,那么就是单位增益稳定的。一般的集成运放为了优化瞬态响应的性能,都会留有一定的相位裕度,在开环增益下降到0db的时候,相位转移也就是120°左右的样子,也就是说有60°左右的相位裕度。
根据TINA的开环仿真,LM224 相位裕度是43.12°(单位增益不稳定吗?),OP07相位裕度是79.56°(单位增益稳定),OPA228相位裕度是17.03°单位增益不稳定)。
自己设想,是否LM224放大多倍后,也能不再振荡?于是进行了一系列的实验。首先还是单位负反馈,将运放的正相输入端输入接462mV(见图5),单位负反馈输出波形振荡(见图6)。
图5 运放输入接462mV单位负反馈输出振荡
图6 单位负反馈输出振荡
放大两倍是否会好一些(见图7)?运放输出振荡确实变小了一些(见图8)。
图7 放大两倍输出
图8 输出波形振荡
放大四倍是否会更好一些(见图9)?输出确实不再振荡了(见图10)。
图9 放大四倍输出
图10 输出不再振荡
使用TINA仿真,对比单位负反馈(如图11)和放大四倍(图12)时的伯德图的区别(如图13)。发现单位负反馈在400KHz~1MHz处增益曲线上翘,自己认为是否是干扰信号正好处于这个频率段,就被放大了。
图11 单位负反馈伯德图
图12 放大四倍的伯德
通过探头交流耦合测量电流传感器内部的2.5V的纹波(图14)。
图14 黄色是单位负反馈时输出400mV的波形,绿色是2.5V交流耦合波形
黄色为VF1处的运放输出的振荡电压波形,而绿色是VG1处2.5V上面叠加的交流纹波。频率比较相近,故自己猜测运输出振荡是由于2.5V上的纹波诱使的。通过仿真是否也还原这个现象?在图VG1处加入900KHz,峰峰值为100mV的正弦波信号,观测运放输出是否也会振荡。
仿真发现虽然运放会输出发生振荡,但运放输出的振荡幅值大幅缩小,仅仅只有VG1的十分之一(如图15)。
到此我就不能继续分析下去了。以下是我的疑问,真心恳请各位大师给予指点。
二、疑问
1、LM224是单位增益稳定的运输放大器吗?为什么LM224芯片手册上面没有像OPA228一样,特别指出必须放大多倍才能应用?
2、为什么不通过放大,而只加下拉电阻也能让运放输出不振荡?自己仿真发现不论是否加下拉电阻,运放的闭环伯德图不会发生变化。这个是最困惑的地方,请您能告诉我原理和如何能通过仿真验证此现象。
3、为什么在仿真中在2.5V上叠加VG1交流纹波100mV时,运放输出振荡纹波峰峰镇只有15mV电压,呈现衰减;而实际测得运放输出纹波400mV左右,呈现放大?我该如何修正仿真模型?
谢谢!期望得到您的指点。如果有描述不清楚的地方,请您提出,我继续完善。