ว้าวมันน่าประทับใจมากที่คุณจะถามคำถามนี้มันแสดงให้เห็นถึงความกล้าหาญที่น่าชื่นชม
การวิเคราะห์เสถียรภาพของลูปในโลกแห่งความจริง
"เราจะพัฒนา Bode-plot สำหรับวงจรเช่นนี้ได้อย่างไรโดยใช้ op-amps ที่ไม่เหมาะที่มีเสาสำคัญนอกเหนือจากที่สร้างขึ้นโดยชิ้นส่วนพาสซีฟของฉัน"
ควรคำนึงถึงสองคำถามในขณะที่การออกแบบวงจร:
- การออกแบบนี้ทำสิ่งที่ต้องทำหรือไม่?
- การออกแบบนี้ทำในสิ่งที่ควรจะทำหรือไม่
คำถามแรกเป็นคำถามที่สำคัญที่สุด แต่เราจะข้ามไปดูคำถามที่สองซึ่งเป็นที่ที่การวิเคราะห์เสถียรภาพจะเข้ากับกระบวนการออกแบบ นี่จะเป็นการสาธิตเทคนิคที่เป็นที่รู้จักกันดีการวิเคราะห์ Bode นำไปใช้กับลูปแบบง่าย ๆ ประกอบด้วย OpAmps ตัวต้านทานตัวเก็บประจุและเสาครึ่งระนาบและศูนย์ แม้ว่าสิ่งนี้สามารถขยายไปยังประเภทลูปที่ซับซ้อนมากขึ้น แต่มันจะไม่อยู่ที่นี่เพราะจะยาวพอ ๆ กับที่มันเป็น ดังนั้นคุณจะไม่พบการสนทนาของวงทอปทอปที่สลับเป็นระยะในระหว่างรอบการปฏิบัติการไม่มีเสาหายไปไม่มีศูนย์ระนาบระนาบครึ่งทางขวาและไม่มีเทคนิคสกปรกอื่น ๆ
การวิเคราะห์เสถียรภาพเกี่ยวข้องกับสามขั้นตอน:
- การประเมินผลที่รวดเร็วและสกปรก (QnD)
- มองหาธงสีแดง เปิดเผยข้อผิดพลาดที่ชัดเจนใด ๆ
- ทำการสำรวจของเสาและศูนย์และกำไรจากห่วง
- ใช้โมเดล Bode asymptotic เพื่อรับการประเมินคร่าวๆของระยะขอบ ให้ความสนใจมากที่สุดกับระยะขอบเนื่องจากเป็นตัวบอกความเสถียรที่เชื่อถือได้มากที่สุดในขณะที่อัตราขยายจะต้องมากกว่า 0dB
- แบบจำลองเชิงตัวเลขและการจำลอง ใช้สิ่งนี้เพื่อให้ได้ภาพที่แม่นยำและแม่นยำมากขึ้นของอัตราการวนลูปและระยะขอบที่มากกว่าที่ QnD มอบให้ นอกจากนี้คุณยังสามารถทำการวิเคราะห์ montecarlo ของความเสถียรของลูป
- การวัดทางกายภาพ ฉันจะพูดคุยเกี่ยวกับสิ่งนี้ได้ที่นี่ในบทนำเพราะมันใหญ่เกินไป ใครก็ตามที่ทำงานด้วยลูปประสิทธิภาพสูงและจริงจังกับความมั่นคงจะทำการวัดลูปทางกายภาพของวงจรของพวกเขา สำหรับการวัดลูปคุณจะต้องใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่าย (เช่นE5061หรือAP300เป็นต้น) และเครื่องขยายเสียงสรุปเพื่อแยกลูปและฉีดสัญญาณรบกวน มันเป็นเรื่องดีมากที่จะสร้างแอมป์รวมกับตัวเชื่อมต่อขนาดเล็กบางส่วนในการออกแบบของคุณเพื่อให้คุณสามารถวนซ้ำได้ตลอดเวลา
สิ่งที่คุณควรคำนึงถึงเกี่ยวกับการวิเคราะห์ Bode:
- นี่เป็นเทคนิคเชิงเส้นเท่านั้น ไม่อนุญาตให้มีการทวีคูณความถี่ในลูป ... ต้องทำการเปรียบเทียบความถี่ของแหล่งข้อมูลที่ swept ที่อินพุทและเอาท์พุทโดยไม่ต้องใส่พลังงานใด ๆ เข้าไปในความถี่อื่นเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มีประโยชน์
- นี่เป็นสัญญาณการวิเคราะห์ขนาดเล็กของ AC
- การวิเคราะห์ทำได้เฉพาะกับลูปแบบเปิด การวิเคราะห์ลูปแบบปิดทั้งหมดจะทำให้คุณได้รับการตอบกลับแบบแบนที่ระดับศูนย์ dB จนกว่าอัตราการเปิดวงจะลดลงต่ำกว่าศูนย์เดซิเบล ดังนั้นคุณต้องทำลายลูปแล้วคุณจะเห็นการสนับสนุนของโพลและศูนย์ทั้งหมดในลูป
- การวนซ้ำใด ๆ ที่มีอัตราขยายที่เป็นศูนย์ dB ที่> 20dB / ทศวรรษ (มากกว่า 1 ขั้วที่ไม่มีการชดเชย) จะไม่เสถียร
- คุณต้องการระยะขอบ> 35 องศา
เราจะทำตามขั้นตอนที่ 1 และ 2 โดยใช้ลูปของคุณเป็นตัวอย่าง
1. รวดเร็วและสกปรก
ธงแดง
ลองมองดูทั่วโลกอย่างรวดเร็วเพื่อค้นหาสิ่งที่โดดเด่น
- ในกรณีนี้เราเห็น OA2 ซึ่งไม่ได้รับผลกำไรที่ไม่สามารถควบคุมได้ การมีแอมป์ที่ไม่ได้รับการชดเชยในลูปมักจะเป็นที่สงสัยอยู่เสมอ หากต้องการอัตราขยายสูงที่ DC ควรใช้ตัวรวม
- ไม่มีเลขศูนย์เลย นี่เป็นสิ่งที่ไม่ดีเนื่องจากมีมากกว่า 1 ขั้ว (อันที่จริงมี 3 เสา) ... วงจะไม่เสถียรโดยมีอัตราขยายที่เพียงพอ (และเนื่องจาก OA2 มีอัตราขยายสูงสุด
โปรดจำไว้ว่านี่เป็นความประทับใจแบบแฟลชโดยมองหาสิ่งที่โดดเด่น มันจะทำงานได้ดีที่สุดหากคุณเห็นว่ามีอะไรใน 5 หรือ 10 วินาที บ่อยครั้งที่การทำเช่นนี้กับวงจรของคุณเองเป็นเรื่องยากมุมมองภายนอกอาจมีค่ามาก
การสำรวจขั้วโลกศูนย์และกำไร
การวิเคราะห์แบบอสมมาตรเป็นลางบอกเหตุทำงานได้ดีที่สุดกับเสาและศูนย์อย่างง่ายและมีความแม่นยำน้อยกว่ากับเสาและศูนย์ที่ซับซ้อนเนื่องจากปัจจัยการหน่วง โดยปกติแล้วลูป OpAmp จะมีเสาและศูนย์เป็นส่วนใหญ่ ไปข้างหน้าและบัญชีสำหรับคู่ที่ซับซ้อนใด ๆ แต่โปรดทราบว่าการวิเคราะห์โดยประมาณนี้มีแนวโน้มที่จะไม่ถูกต้องและมองในแง่ดีเกินไปเมื่อมี ในกรณีนี้แม้ว่าเสาทั้งหมดจะง่าย
โดยปกติแล้วจะเป็นการดีที่สุดที่จะแยกแยะสิ่งต่าง ๆ ตามระยะ OpAmp ดังนั้น:
- OA1: ขั้วโลกที่ 36kHz, ได้รับ = 26dB
- OA2: ขั้วโลกที่ 1Hz, กำไร = 120dB หมายเหตุนี่เป็นการคาดเดาที่ LFP และกำไรของ OA2 เนื่องจากฉันยังไม่ใส่ใจที่จะดู
- OA3: ขั้วโลกที่ 6kHz, กำไร = 0dB
แบบจำลองโบกแบบ Asymptotic
เมื่อใช้ตำแหน่งขั้วโลกจากการสำรวจให้นับระยะขอบโดยใช้แบบจำลอง asymptotic Bode ระลึกถึงเสาระนาบครึ่งด้านซ้ายและลักษณะเป็นศูนย์ตามลางบอกเหตุคือ:
- เสา: กำไรลดลงที่ 20dB / ทศวรรษ (6dB / octave) เริ่มต้นที่ความถี่เสา เฟสอยู่ที่ 45deg / ทศวรรษ (13.5deg / octave) รวม 90deg ที่ศูนย์กลางที่ความถี่เสา
- ศูนย์: ได้รับเพิ่มขึ้นที่ 20dB / ทศวรรษ (6dB / octave) เริ่มต้นที่ศูนย์ความถี่ เฟสเพิ่มขึ้นที่ 45deg / ทศวรรษ (13.5deg / octave) รวม 90deg ที่กึ่งกลางที่ความถี่ศูนย์
อันดับแรกเรารู้ว่าเราจะต้องใส่ใจกับเฟสในกรณีนี้เนื่องจาก OA2 ได้รับสูง เพียงเพิ่มเฟสสำหรับความถี่สองสามครั้งจนกว่าเราจะพบว่าระยะขอบนั้นเป็นศูนย์ เพื่อให้สิ่งต่าง ๆ เรียบร้อยฉันจะวางมันไว้ในโต๊ะ
ความถี่กระแสตรง6kHZ18kHz36kHZOA1- 180- 190- 212- 225OA2- 180- 270- 270- 270OA3- 180- 225- 247- 260φT - 540- 685- 729- 755φM 18035- 9- 35
φMφM
φM
การใช้การวิเคราะห์ลางบอกเหตุโดยประมาณอาจเป็นวิธีที่รวดเร็วในการทำความเข้าใจการวนซ้ำ คุณสามารถเขียนมันออกมาบนผ้าเช็ดปากในแถบมืดที่เย็นสบาย ... อ่าไม่เป็นไรนั่นเป็นช่วงเวลาที่มีความสุขมาก แต่คุณสามารถเขียนลวก ๆ ที่ขอบสไลด์ทบทวนการออกแบบของลูปในขณะที่ผู้นำเสนอพูดคุยเกี่ยวกับมันแล้วก่อนที่สไลด์จะพลิกถามพวกเขาว่าพวกเขากังวลเกี่ยวกับการเปลี่ยนเฟสทั้งหมดหรือไม่ (เริ่มถามคำถามแบบนั้นในรีวิวการออกแบบและคุณอาจไม่ต้องเสียเวลามากในการอ่าน)
แล้วใครที่วิเคราะห์แบบนี้ ดูเหมือนว่าไม่มีใครทำ คนส่วนใหญ่เพียงดำดิ่งลงในแบบจำลองตัวเลขซึ่งไม่ดีเกินไป วิธีการ QnD สามารถทำให้คุณคิดถึงลูปในแบบที่คุณอาจไม่ทำ หลังจาก QnD คุณจะรู้ว่าวงควรทำอะไรและคุณจะก้าวข้ามปัญหาที่ใหญ่ที่สุดด้วยการจำลองเชิงตัวเลขซึ่งเป็นความงมงายตาบอดและการยอมรับคำตอบมายากล
2. แบบจำลองเชิงตัวเลขและการจำลอง
RผมRโอAโวลต์
สำหรับแอมพลิฟายเออร์สองตัวที่ใช้ที่นี่พารามิเตอร์รุ่นคือ:
พารามิเตอร์Aโวลต์ LFPRiRoOPA2376126dB0.6 เฮิร์ต1012 โอห์ม150 โอห์มOPA340115 dB4 เฮิร์ต1013 โอห์ม10 โอห์ม
คุณสามารถแยกลูปได้ทุกที่ (ยกเว้นแอมพลิฟายเออร์รวมชุมทาง) ขณะสร้างโมเดล ฉันเลือกที่จะทำลายมันที่โหนดร่วมกับ Rfb, Rtrack2 และ OA3out โดยแยก Rfb เพื่อทำให้มันเป็นอินพุตสำหรับระยะที่ 1 (OA1) อย่างชัดเจน ดังนั้นออสซิลเลเตอร์ (และอินพุตลูป) จะเข้าสู่ OA1 ถึง Rfb และเอาต์พุตลูปจะอยู่ที่เอาต์พุต OA3 สร้างแบบจำลองใน SPICE เช่นตัวจำลองที่คุณเลือกและพล็อตขนาดและเฟสของ OA3out / Oscin
นี่คือผลลัพธ์ที่ฉันได้รับจาก 1Hz ถึง 1MHz
φMφM
φM
φMผลลัพธ์ปัญหาอาจไม่ได้รับการสังเกต หนึ่งในสิ่งที่น่าสนใจที่สุดในที่นี้คือความแตกต่างที่คุณอาจเห็นระหว่างวงจรจริงที่ LFP แทรกแซงด้วยเสาความคิดเห็นและแบบจำลองเชิงตัวเลขของวงจร แบบจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นถึงผลกระทบของสองขั้วที่ทำให้ระยะขอบลดลงก่อนหน้านี้ซึ่งควรจะเหมือนกับการกระจายเสา แต่พฤติกรรมของเครื่องขยายเสียงที่แท้จริงจะกลายเป็นเรื่องน่ากลัวเมื่อมีการเปิดวงวนไม่เพียงพอที่จะรองรับการเพิ่มของวงปิดและสิ่งผิดปกติเกิดขึ้น วงจรจริงโดยการวัดจะแสดงให้เห็นว่าขั้วมีปฏิสัมพันธ์กันมากกว่าคู่ที่ซับซ้อน คุณจะเห็นกลีบรับกำลังใกล้กับตำแหน่งขั้วรับความคิดเห็นซึ่งอัตราขยายจะเพิ่มขึ้นใกล้กับอัตราขยายวงเปิดและระยะขอบจะเพิ่มขึ้นชั่วคราวและดันไปยังจุดครอสโอเวอร์ความถี่ที่สูงขึ้น หลังจากส่วนขยายเกนและส่วนขยายทั้งเกนและเฟสจะพังอย่างรวดเร็ว ในกรณีนี้มันสมเหตุสมผลแล้วφM
วิธีแก้ไขลูปนี้
ในลูป OA2 นี้เป็นแอมป์ข้อผิดพลาดได้อย่างมีประสิทธิภาพซึ่งมีฟังก์ชั่นเพื่อลดข้อผิดพลาด (หรือความแตกต่าง) ระหว่างการอ้างอิงและปริมาณที่ควบคุมได้บางส่วน โดยปกติคุณต้องการให้ OA2 มีอัตรากำไรสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ที่ DC เพื่อลดข้อผิดพลาดดังนั้นโครงสร้างพื้นฐานของ OA2 จะเป็นผู้รวบรวม ประสิทธิภาพของกรณีที่ดีที่สุดสำหรับวงเปิดที่จะได้รับ 20dB / ทศวรรษที่ผ่านมาจากการไขว้เป็นศูนย์โดยมีระยะขอบมากกว่า 45 องศา หากมี n poles ในลูปคุณจะต้อง (n-1) ค่าศูนย์เพื่อครอบคลุม poles ที่จะมีผลต่ออัตราขยายที่ความถี่ต่ำกว่าแบนด์วิดท์ที่ต้องการ ในกรณีนี้คุณจะต้องเพิ่มค่าศูนย์ลงในระยะ OA2 เพื่อครอบคลุมเสาใน OA1 และ OA3 นอกจากนี้คุณยังต้องการเพิ่มเสาความถี่สูง 2 ขั้วไปยัง OA2 เพื่อจัดการการเพิ่มของวงวนปิด (ของเวที OA2) เนื่องจากมีการเข้าใกล้วงวนที่เพิ่มขึ้นของ OPA2376 โอ้
วัสดุโบนัส
กลับไปที่คำถามการออกแบบ 1: การออกแบบนี้ทำในสิ่งที่ต้องทำหรือไม่? คำตอบน่าจะไม่ใช่ ในความคิดเห็นที่คุณพูดว่าคุณกำลังพยายามกำจัดพื้นหลังหรือระดับโดยรอบจากสัญญาณ โดยปกติจะทำด้วย double sampler (CDS) ที่มีความสัมพันธ์หรือสิ่งที่บางครั้งเรียกว่า DC restore circuit ขั้นตอนแรกในกรณีใดกรณีหนึ่งคือการแปลงสัญญาณปัจจุบันเป็นแหล่งสัญญาณแรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปเหมือนกับที่คุณทำกับเวที OA1 แต่ไม่มีข้อเสนอแนะจาก OA3
ใน CDS ตามกระแสการแปลงแรงดันไฟฟ้าจะมีวงจรตัวอย่างสองวงจร หนึ่งจะตัวอย่างในช่วงระยะเวลาพื้นหลังในขณะที่อื่น ๆ จะตัวอย่างในช่วงระยะเวลาที่ใช้งานอยู่ ความแตกต่างระหว่างเอาต์พุตตัวอย่างทั้งสองนั้นจะถูกนำมาเป็นสัญญาณใหม่
ในการคืนค่า DC การแสดงแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณจะผ่าน AC ควบคู่ไปกับแอมพลิฟายเออร์ ในช่วงเวลาที่พื้นหลังขั้วต่อตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อกับอินพุตเครื่องขยายเสียงต่อไปนี้จะได้รับการต่อสายดิน จากนั้นในช่วงระยะเวลาที่ใช้งานที่ขั้วตัวเก็บประจุจะถูกปล่อยออกมาจากพื้นดินหรืออ้างอิงและได้รับอนุญาตให้ลอยและนั่นคือแรงดันสัญญาณที่มีพื้นหลังออก