怎样通过multsim的波特图对放大电路的频率补偿计算和设计？

locky_z

关于放大电路的频率补偿，很多都是泛泛说一下，
有的说通过波特图可以得到零、极点，然后设计补偿网络，现实中的波特图业余很难测出来，但现在有仿真软件，波特图很容易可以得到，
得到了波特图，但做一个怎样形式的补偿网络？补偿网络元件怎样计算，好像都找不到啥实操例子？

例如这个电路，怎样设计补偿网络？


附上multsim的文件。
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2024-7-15 13:12 上传

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小鬼头

小鬼头 发表于 2024-7-15 15:09
1、如果你使用仿真软件来研究一个负反馈电路的高频稳定性/频率补偿方法，那么，需要使用软件来对他的开环
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这是我当初研究LM324电子负载的高频稳定性时使用Tina软件进行的仿真分析（下面这些内容还没续写在该主题帖里）：

1、开环Bode图的获得（设置断点）——获得loopgain环路增益Bode图后，利用软件的AC分析功能，就可以得到开环时的幅度频率曲线和相位频率曲线。



2、没有作针对性补偿带电感性负载时的Bode图。可看到，相移180度时，loopgain即环路增益高于0dB，说明电路自激。



3、增设Snubber网络（即茹贝尔网络）后，带同样的电感性负载时不自激，相位裕量达50度。

小鬼头

1、如果你使用仿真软件来研究一个负反馈电路的高频稳定性/频率补偿方法，那么，需要使用软件来对他的开环
波特图（Bode图）进行仿真。注意，是开环时的Bode图，不是闭环后的Bode图。

2、以开环Bode图为基础，观察加入/调整补偿网络前后的Bode图，就可以比较直观地知道你所作的调整是否有效、与实现高频稳定的目标相差多少。

3、我以前发的下面这个主题帖里，提供了这方面研究的实用资料。

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1992761

其中

（1）Ti合集里介绍了如何操控开环零极点的位置来实现高频稳定。须注意的是，Ti合集是针对运放的应用来作研究，不是针对分立件电路。实际上，对于分立件电路来说，自己操控开环零极点位置的可用方法（以及可用电路节点）更多，补偿起来也更方便。

（2）里面的Lymex帖子，提供了如何得到开环Bode图的具体方法。要点是要在整个负反馈环路的中间设置断点，以此来得到开环Bode图。其帖子介绍的是Tina仿真软件上的应用，但Multisim也可以按其方法来进行仿真研究。

小鬼头

回到一楼的如何对这个电路作高频补偿的问题。

1、这个电路，开环增益由2部分构成。一是运放，二是晶体管。晶体管部分至少有2个极点，而且因为这部分的增益不低，所以他的第1极点频率也甚低约是10kHz级。

2、运放本身的主极点是100hz级，他与10khz级的晶体管极点只有3个十倍频程的距离。而整个电路的开环增益高于100dB，如果不作补偿，必自激。

3、补偿的方法可以是，利用运放作本地的负反馈，来制造整个系统的主极点，令他闭环后的极点频率足够低，在拉开整个系统中的第1与第2个极点的距离的同时，让整个系统的开环增益也降低。

4、为此，需要将运放作成积分器。也即是，负输入端与输出端之间跨接一只合适的电容，并在负输入端与Vref之间接一只合适的电阻。这种接法，就是很多线性稳压电源所采用的高频补偿方法。

由于你这里的电路是LDO拓扑，晶体管部分有较高增益（尤其是你这里还给电压放大管配上了恒流源负载），所以，积分器所制造的主极点，需要比普通线性电源压得更低才行。

xiaoduan

无需开环即可测出开环频率特性，请参考这篇文章，虽然楼主的电路是个线性稳压器，但是方法是想通的：
https://www.ti.com/lit/an/snva364a/snva364a.pdf
原理在这篇文章中有介绍：
https://www.ti.com/lit/an/sluaa51/sluaa51.pdf?ts=1720992958931

MF35_

调整放大电路的稳定性，要看环路增益的波特图，环路增益就是开环增益减去反馈系数，所以需要把环路的交流通道断开（任意一处都可以），然后从一端输入信号，另一端读取波特图，我常用的是这个电路
L1就是用来断开交流环路的（直流环路要保留，否则会饱和），C3用来从断开点馈入测试信号V4，然后测量Vo的波特图，得到的就是环路增益了


判断稳定性很简单，因为Vo对于V4来说理想情况是180度（实际上不可能，因为运放主极点会使相位变成90度，所以理想情况是90度），所以在环路增益为0的频率，观察其相位即可，如果相位为0，则表示Vo和V4是同相，电路是100%正反馈，所以相位和0之间的差异，就是相位余量，一般来说，相位余量至少要达到45度以上才能保证稳定（阶越信号不长时间振铃），最好是60度以上为佳，否则振铃会比较大，低于45度就可以认为不稳定了

可以看到，这个电路在环路增益为0的频率，相位余量是78度，它是非常稳定的

locky_z

小鬼头 发表于 2024-7-15 15:34
这是我当初研究LM324电子负载的高频稳定性时使用Tina软件进行的仿真分析（下面这些内容还没续写在该主题 ...

为什么这个环路增益是用VF3/VF1，而不是用输出端的电压来算？例如T1漏极上的电压/VF1为环路增益？或者T1源极上电压/VF1 ?

MF35_

locky_z 发表于 2024-7-15 16:35
为什么这个环路增益是用VF3/VF1，而不是用输出端的电压来算？例如T1漏极上的电压/VF1为环路增益？或 ...

因为L1使得交流环路断开了，那么VF3就是环路输出点，VF1就是环路输入点，所以环路增益是VF3/VF1，电路本身的输出点，只是环路的一个中间节点罢了，并不一定是环路输入或输出点（除非你的环路刚好是从输出点断开的，就比如我之前的电路）。

环路增益，就是指把环路断开，然后按照信号原来（未断开前）的流动方向，用流出点的电压除以信号流入点的电压，需要注意的是测量波特图时驱动信号必须给到环路输入点，所以你这个电路是从运放输入端给入的，我那个电路是从反馈电阻给入的，本质上没区别，不同的只是我们断开环路的地方不一样而已

要判断换路是否稳定很简单，但如果你仿真结果显示环路不稳定，就需要调整，调整的过程就涉及到零点和极点的知识，简单说就是零点使相位余量增加，极点使相位裕量减小，变化的幅度是零极点两侧2dec范围内相位相差90度，所以通过在环路中插入极点和零点，就可以调整环路0增益处的相位，从而调整相位裕量

零点和极点的求法需要列出环路传递方程，传递方程是一个多项分式，分子多项式的根就是零点，分母多项式的根就是极点

小鬼头

locky_z 发表于 2024-7-15 16:35
为什么这个环路增益是用VF3/VF1，而不是用输出端的电压来算？例如T1漏极上的电压/VF1为环路增益？或 ...

这是因为，环路增益loopgain的物理意义是，一个信号从放大器的负输入端（或环路中的某个节点）出发，经过整个环路，再返回到负输入端（或原来这个节点），这么样跑了一圈所得到的增益。

现在这个仿真电路里，因为设置了断点，所以，vf1是开始时的信号输入，vf3是“跑了一圈”后获得的信号输出。

MT4S301

MF35_ 发表于 2024-7-15 16:24
调整放大电路的稳定性，要看环路增益的波特图，环路增益就是开环增益减去反馈系数，所以需要把环路的交流通 ...

专业的手法，很好的运放大电容负载环路