在以前的文章中讨论的技术可以帮助我们理解和补救在用于放大光电二极管信号的普通电路中观察到的稳定性问题。
本系列以前的文章
- 负面反馈，第1部分:一般结构和基本概念
- 负反馈，第2部分:提高增益灵敏度和带宽
- 316207负反馈，第3部分:改善噪声，线性和阻抗
- 负面反馈，第4部分:稳定性介绍
- 负反馈，第5部分:增益裕度和阶段裕度
- 负反馈，第6部分:新的和改进的稳定性分析
- 负反馈，第7部分:频率相关反馈327
支持信息
如果你想要思考一般的反馈结构，那么你不需要切换页面，以下是第一篇文章中给出的图表:
即使内部补偿运算放大器也会振荡
如今，没有多少工程师将极不稳定的离散BJT放大器集成到他们的设计中。这使得生活不那么激动人心，尽管在某种程度上更稳定，因为大多数运算放大器内部补偿到它们有足够的相位裕度，即使是在单位增益闭环(即，β= 1).内部补偿当然很方便，特别是对于那些没有太多稳定性问题经验的工程师来说。但这也会导致问题的自满——问题的原因是，即使是内部补偿的运放也会振荡，如果真的发生了，可怜的设计者可能不知道这种不稳定性是从哪里来的，或者如何正确地纠正它。
在我们开始我们的模拟之前，让我们看看内部补偿，考虑到我们在稳定性分析方面不断增长的专业知识。考虑Linear Tech的LT1001运算放大器的开环增益图。
一种考虑内部补偿的方法是考虑主导低频极点，使开环增益达到统一的相移离180度还很远。但是这个图提醒我们，我们可以用不同的方式来看待内部补偿:主导低频极点确保开环滚转的斜率是20 dB/ 10年，一直到单位增益。回想一下稳定性分析的另一种方法:如果环路增益的幅度响应的斜率和反馈网络的幅度响应的斜率在交点处的差不大于20 dB/decade，那么放大器就足够稳定。不可避免的高频率极点——你可以看到在大约3兆赫兹时，滚落坡度的增加——并不会危及稳定性，因为β必须大于1才能得到20log(1/β日志()和20一个)曲线相交于开环幅值响应的-40 dB/decade段内的一点。
然而，正如我们在前一篇文章中了解到的，即使当放大器的开环滚转斜率不超过20 dB/decade时，也很容易产生不稳定性——你所需要的只是反馈网络中的一些频率响应。
小心隐藏的电容
一个光电二极管配置为“光伏模式”(即通过光电二极管的零伏偏置，而不是光电二极管反向偏置的“光导模式”)，其基本功能是依赖于光(或依赖于uv或ir)的电流源。由二极管产生的小电流被放大器放大并转换成电压互阻抗放大器(TIA),如下:
一切看起来都很好:内部补偿运算放大器，非频率依赖反馈网络…但在这个看似无害的光电二极管内部，潜伏着一些麻烦。这是TIA的样子，如果我们用一个等效电路替换光电二极管:
二极管的分流电阻理论上会影响直流增益，但更重要的是，结电容引入了反馈网络的频率响应。
模拟!
这是第一个LTSpice原理图，我们将使用它来分析一个典型的光电二极管TIA的稳定性。
这个电路包含了结电容、分流电阻和反馈电阻的合理值。正如在前一篇文章中，我们将反馈网络与运放分离，因为这允许我们通过将负输入接地，同时将交流源应用于正输入，从而生成开环增益图。将被反馈和减去的电压被标记为“反馈”，这样我们可以得到一个20log(1/β)曲线，绘制20log(1/(V反馈/ V出))。
问题是显而易见的:二极管的结电容引入了一个极到反馈网络(记住从前面的文章，在β当我们画出频率响应时传递函数看起来像01／β）.通过思考低频和高频信号如何通过反馈电路，你可以直观地理解这一点:电容在直流时是开路的。分流电阻也可以近似为开路，因为它比反馈电阻大得多。在低频处，V反馈≈V出,因此β≈1。随着频率的增加，R上海仍然近似为开路，但Cj逐渐减少。这导致逐渐减少β，它的振幅为20log(1/β)曲线。因此，在交点处，20log(一个)为- 20db /decade，斜率为20log(1/ .)β)为+20 dB/decade;斜率差为40db / 10年，因此电路不够稳定。
补偿!
我们不能改变反馈极点本身，因为它的位置是由电阻决定的，而电阻决定了闭环增益和光电二极管的特性——假定电路的这些方面是由不可商量的系统要求控制的。因此，我们需要对这个极点进行补偿，我们通过在反馈网络中引入一个零来实现。正如我们在前一篇文章中看到的，一个电容与“低”反馈电阻(在本例中是R上海)创建一个反馈极，一个电容与“上”反馈电阻并联(在这种情况下是RF)产生一个反馈零。所以我们需要电容和R平行F,如下所示:
问题是，电容是多少?一般的程序是从一个近似值开始，然后使用调整和检查模拟来找到最佳点。如果你有光电二极管TIA电路的经验，你可能对需要多少补偿电容有一个大致的概念。否则，求交点频率fint)，从模拟的20log(一个日志(1 /)和20β)，然后使用下列公式:
\ [C_ {comp} = \压裂{1}{2 \πR_FF_ {int}} \]
这不会给你一致准确的结果，因为它没有考虑结电容，但结果应该足够接近作为一个起点的调整和检查模拟。在我们的电路中，我们有以下内容:
\ [C_ {comp} = \压裂{1}{2 \π\左(100ω\ k \ \) \左(210 \ kHz \右)}\ approx8 \ pF \]
在我们完成赔偿程序之前，我们需要决定我们到底希望反馈零在哪里．为了达到足够的稳定性，20log(1/β)曲线与20log(一个)曲线，因此我们知道零频率不能高于交点频率。接下来我们要权衡一下:如果零非常接近交点频率，电路将有更低的相位裕度和最大闭环带宽(尽管可能足够)。随着零频率的减小，相位裕度增大，但闭环带宽减小。你可以这样考虑权衡:
- 将零点定位在交点频率以下:
- 如果你不期待高频光电二极管信号
- 如果你想过滤掉光电二极管信号中的高频成分
- 如果电路可能暴露在操作或环境条件下，可能会显著影响放大器或反馈网络的频率响应
- 在交点附近找到零点:
- 如果你需要最大化TIA的可用带宽
这张图显示了三种不同C的稳定性结果电脑及相关知识价值观:
结论
这种光电二极管TIA电路为将稳定性分析方法应用于频率相关反馈提供了一个很好的机会。下一篇文章将介绍一种额外的稳定性分析仿真技术，并演示该技术在另一种可能降低内补偿运放稳定性的情况下的使用。
下一篇文章:负面反馈，第9部分:打破循环
