下图是我们常见的用于仿真op的ac特性(dc增益、gbw等)的bench。我们通过在op的输出和输入之间串联一个一阶rc网络(r、c值通常都很大)的形式组成一个闭环系统,而我们需要的其实是op的开环特性。
本文试图弄明白以下几个问题:
为何通过闭环的方式可以得到op的开环ac特性?
r、c对仿真结果有什么影响?
r、c要取大,那到底要多大?这个问题和上面的问题关联度很大。
问题很基础,过程很重要,答案不简单。
先推导这个bench的闭环传函:
这是一个电压-电压负反馈,其闭环系统的传函可以用标准反馈方程y/x=g/(1+g*β)来统一。
第一步:先断环,考虑加载效应,见下图
第二步:计算前馈增益g(s),对于vv反馈,其实就是op的开环增益,如下:
第三步:计算反馈系数β(s)
第四步:计算闭环增益a(s),a(s)=g(s)/(1+g(s)*β(s))
至此,我们得到整个系统的闭环传函,上面的推导过程中仅仅做了如下近似:
rc>>roc,且rc>>roco,
由于r和c都是很大的值,这个近似误差可以忽略不计。
接下来,该分析闭环传函了
我们尝试盯着闭环传函a(s)的表达式看,能看出点啥?
闭环传函有一个lhp零点:z=-1/rc
闭环传函分母是一个标准的二阶形式,有2个根,对应着2个lhp极点,
假设分母的两个极点分别为p1和p2,且|p1|<<|p2|,则
p1+p2=-1/(ro*co)≈p2
p1 p2=ao/(ro r c co)
联合上面两个式子,不难得到:
p1=-ao/(r*c)
p2=-1/(ro*co)
至此,我们得到了整个闭环系统的零极点分布情况,总结下:
z=-1/(rc)
p1=-ao/(r*c)
p2=-1/(ro*co)
不难看出,p2是op本身的输出极点,z和p1的频率极低,构成一对低频零极点对。当频率远>这一对零极点对之后,a(s)可以简化为:
继续盯着这个表达式看,这个表达式什么意思?
这不就是我们想要的op的开环ac特性吗?
我们费尽千辛万苦,终于在这一步得到我们想要的。
画个图,可以看得更直观:
行文到此,问题基本上说清楚了,我们回到文章开头的几个问题,这时候应该有答案了吧!
对于rc的取值问题,我们要保证ao/(rc)<<1/(ro*co)即可。
举个例子:
r1=10^12,
c=1,
op增益ao=1000倍(60db),
则rc造成的低频极点为1000/(10^12)=10^(-9),是一个极低频率的值,低到我们可能压根儿都没发现它的存在。因为我们在跑ac的时候会给定一段频率,比如从1hz~1ghz,也就是说低于1hz的波形我们压根儿就没看,所以我们跑完ac观看波形的时候会发现ac曲线低频是平的,并没有我们文章所讲的一对低频零极点。看官如果想看到这一对零极点,从很低频的部分开始跑ac即可,或者把rc的取值取小一点儿。
直观解释
终于到了群众喜闻乐见的“直观解释”环节了,先把bench拷贝过来,对照着说。
op正输入端ac=1
op负输入端ac≈0,为什么呢?因为c很大,阻抗1/(sc)很小,频率稍微高一点,就近似于短路
r的作用:通直流隔交流,r可以将op的输出和负输入短路,建立直流工作点。但是对于ac而言,大r基本不构成加载效应,不会影响op增益。
op正负输入ac=1,所以直接观察op输出vo就可以得到op的增益的开环ac特性。
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