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[参考译文] TINA/Spice：用于在改进的 Howland 电流源中增加相位裕度的运算放大器选择

admin
Guru**** 2813665 points

Other Parts Discussed in Thread: TINA-TI, LME49600, OPA4192, OPA192, OPA541

请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/756890/tina-spice-op-amp-selection-for-increased-phase-margin-in-improved-howland-current-source

主题中讨论的其他器件：TINA-TI、 LME49600、 OPA4192、 OPA192、 OPA541

工具/软件：TINA-TI 或 Spice 模型

如 上一个问题中所述

我正在尝试补偿 HOWLAND 电流源、该电流源必须能够驱动 电感范围为0至100mH、电阻为0.1R 至500R 的各种线圈、自然频率大约为100Hz。

我还了解各种运算放大器直流性能特性如何影响输出精度。

我在一定程度上了解线圈的时间常数、电源轨将限制可能的带宽。

假设这些参数是固定的、那么在选择运算放大器时、我应该查找哪些关键交流参数。

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    TI__Guru**** 2813665 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。
    您好、Hugh、

    我将把这个帖子移至更合适的论坛。 对于特定于运算放大器的应用、您需要选择"放大器论坛"。

    Herman
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    您好、Hugh、

    在驱动纯阻性负载时、改进型 Howland 电流泵的设计更加简单。 当然、功率运算放大器交流问题主要涉及压摆率和相关的最大输出电压摆幅与频率间的关系、大信号带宽和大信号瞬态响应。

    随着负载从纯阻性变为复杂、参数问题会增加。 问题主要是在驱动复杂的负载阻抗时保持足够的相位裕度并保持放大器稳定。 功率运算放大器本身具有复杂的开环输出阻抗(Zo)、在其工作带宽的不同频率区域中表现出不同的 R +/-JX 特性。 与复负载阻抗(ZL)耦合后、很容易组合使用、其中相位裕度变为零、功率运算放大器变得不稳定并发生振荡。

    您建议的 ZL 范围为0.1R 至500R 加上0至100mH、非常宽。 阻抗可以是一端的高阻性阻抗、也可以是另一端的大部分感应阻抗 如果功率运算放大器 Zo 和固定的 ZL 已知、则可以开发补偿、但我怀疑很难推导出一个补偿方案、以确保在所有建议的输出负载 R + jXL 条件下具有足够的相位裕度。

    如果您对如何设置改进的 Howland 电流泵电路以及您考虑使用的功率运算放大器有了更多了解、您可能希望将自己的想法传递给我们。

    此致、Thomas
    精密放大器应用工程
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    谢谢 Thomas

    该范围可能没有乍一看那么差、当负载为感应时、最小电阻约为20欧姆、任何小于该范围的电阻都是纯正负载。

    上一个问题 e2e.ti.com/.../739959中有一些详细信息 、但电路的快速摘要是、我使用 LME49600作为功率级、 我一直使用 OPA4192来闭合环路、并缓冲电流分流电阻器下游侧的输出电压。 我计划为反馈网络使用匹配的电阻器网络(全部为20k)和10 Ω 分流器。

    我当时在研究是否可以通过用不同的放大器替换 OPA4192来放宽补偿。 根据分析、我认为具有更高开环增益(至少在更高的频率下)的运算放大器有助于实现这一点。 是这样、如果是这样、只需寻找符合我的直流要求且 GBP 最高的运算放大器即可。
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    您好、Hugh、

    您能给我们展示一个原理图吗？

    线圈、它们具有哪些自电容(绕组电容)？

    Kai
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    您好、Hugh、

    我确信您知道 、必须在分析稳定性时考虑 OPA4192运算放大器、LME49600缓冲放大器和复数负载阻抗。 每个电路部分都有其导通 增益/相位、必须在整个频率范围内知道。 对于 OPA4192和 LM49600、需要开环增益/相位(AOL)和开环输出阻抗(Zo)。 使用带宽更高的运算放大 器切换 OPA4192可能会也可能不会影响相位裕度。 实际上、环路中两个放大器的 Aol 和 Zo 特性随频率的变化而变。

    OPA4192是一款精密运算放大器、其仿真模型精确模拟 Spice 仿真中实际器件的 AOL 和 Zo。 LME49600由 TI 的一个音频产品部门生产、因此我不确定其仿真模型与仿真器件真正的 AOL 和 Zo 特性的紧密程度。  Spice 模型文档中的注释往往指示 该模型仅对 少量参数进行建模。  您知道负载的特征、这对于准确分析来说是肯定需要的。

    到目前为止、各种 TI E2E 论坛的支持将在假日期间降至最低。 如果您确实提交了有关您的应用程序的更多信息、则很可能会在讨论恢复之前的几周内完成。 感谢您的理解。

    此致、Thomas

    精密放大器应用工程

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    TI__Guru**** 2813665 points
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    感谢 Thomas、他将能够更详细地阐述 LME49600模型将产生的影响(简化方面)

    下面是我仿真的两个电路。

    直流和瞬态性能。

    交流开环分析

    请注意、LME49600的模型在原理图中似乎显示为 LME49800、但不确定原因。

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    TI__Guru**** 2813665 points
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    您好、Hugh、

    同样、您要驱动的线圈、它们具有哪种自电容(绕组电容)？

    Kai
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    在1kHz 频率下测量几个我桌面上的线圈时、我得到的范围介于0.2uF 和2uF 之间、这无疑是一个比我预期的更大的块。

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    TI__Guru**** 2813665 points
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    您好、Hugh、

    我只知道您的应用情况很少、并且假设必须使用 LME49600和 OPA192、我将从该电路开始：

    e2e.ti.com/.../hugh1.TSC

    C2是一个相位超前电容、可恢复整个电路的相位裕度。 如果没有该电容、电路将变得不稳定。

    该方案的缺点是、信号必须通过三个运算放大器运行、并且每个运算放大器都会增加其传播延迟时间和相移。 因此、必须选择一个相当高的 C2来保持电路稳定。 结果是总体带宽非常有限。 一种更好的方法是仅使用一个高输出电流运算放大器、并构建经过改进的传统 Howland 电流泵。 TI 拥有许多非常出色的高输出电流运算放大器。

    顺便说一下、为什么不省略 U3？ 这并不是真正必要的。

    Kai

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    TI__Guru**** 2813665 points
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    使用此电路时、我们不需要超高带宽1-2kHz 转角频率是可以接受的、但我们确实需要高精度。 U3用于消除由于流经反馈路径的电流而导致的输出电流误差、它还将 RS 的影响与具有低输出阻抗所需的 R3、R4、R5、R6之比分离开来。

    至于我使用一个控制级和一个功率级的原因、我找不到任何具有合适特性的 TI 运算放大器或其他运算放大器。 我需要高达200mA 的输出驱动、这会显著减少选项、例如、需要低失调电压的 OPA541具有10mV 的最大失调电压、相当于10mA 的失调电压、而 OPAx192的失调电压为40uV、相当于40uA

    缓冲器 IC 前的分压器是为了防止饱和、因为 OPA192是轨到轨的、而 LME49800不是轨到轨的。

    正如我在上一个问题中所做的、我已经做了一些交流分析、这个问题的重点是进一步尝试并获得一些技巧、了解我应该查看哪些交流数据表参数以实现更大的相位裕度和/或更高的带宽。 目前、我真正了解的是 GBP 以及开环增益图中的幅度。

    作为仿真和实际测试的附带注意事项、我发现在同相输入端或负载上添加稳定功能的最佳场所是 RC 网络。
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    您好、Hugh、

    使用82k 和18n"缓冲器"时、频率响应看起来相当波浪。 阶跃响应显示出可怕的峰值：

    您的应用是否可以容忍这种情况？

    Kai

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    TI__Guru**** 2813665 points
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    嗯

    我们尚未收到您的回复、因此我们假设您的问题已得到解决。 如果不是、只需发布另一个答复。

    谢谢
    Dennis
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    我不会认为电压阶跃很可怕、因为它是我们感兴趣的输出电流、而电压越高、电流上升的速度就越快、同样、电流波特图也是我们关注的关键问题之一、 电压峰值对我来说很有意义、因为要以更高的频率驱动电感器、需要更高的电压。

    无论这些稳定技术如何、我所关注的是运算放大器对公式的影响。 当我选择运算放大器时、除了选择一些具有良好直流参数的运算放大器、然后随机尝试、应该评估哪些交流参数。
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    TI__Guru**** 2813665 points
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    您好、Hugh、

    我要使用一个具有良好制造模型的运算放大器。 我会尽可能准确地对线圈建模。 这将使您能够执行有意义的相位稳定性分析。

    我认为稳定性是您的应用中的一个主要问题。 因此、我不会选择可用的 FAST 运算放大器。 OPAMP 越快、使电路稳定运行就越困难。 如果您的目标信号频率范围仅为1...2kHz、那么1...5MHz 的单位增益带宽就足够了。

    Kai
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    嗯

    您是否拥有电路设计所需的一切？ 如果您有其他问题、只需发布另一个回复。

    Dennis