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基于运放的线性稳压器稳定性分析

曾经看到一篇文章说,LM317内置的误差放大器,其性能大致相当于uA741的水平,于是有了超级稳压器,文章由Jung Walt发表在杂志上。文章主要讨论了稳压器的噪声性能以及元器件选择等问题。我在2012年也手焊了一台,其时手边并没有专业测试仪器,电路能正常工作我已经很高兴了。

现在回想起来,这个电路似乎还有一个问题没有解决,它在容性负载下能稳定工作吗?对输出端接的电容的容值,ESR有要求吗?我们知道,一般的高速运放对输出端所接负载电容大小是有要求的,如果容值过大,一般会推荐在反馈点之后串联一个小电阻来做隔离。但是这些措施对于基于运放的稳压器来说是不适用的。

基于运放的线性电源稳定性可以首先分为两部分分别研究,其一是运放自身的频率特性:在感兴趣的频率范围内,运放可以看做一个双极点系统。以OPA627为例,第一极点频率在10Hz附近,而第二级点在50MHz附近。在更高的频率范围内,运放的增益已经降到0dB以下。其二是功率管,一般做共集电极连接,共集电极电路在输出端为纯阻负载的时候有着非常高的带宽;在容性负载的时候(暂不考虑输出电容ESR)近似为一零一极系统,零点频率约在特征频率点处,极点频率约等于Gm/CL—Gm 为管子跨导增益,CL为负载电容。故而在负载电容比较大时(一般情况),整个系统在低频段近似为两个极点的系统。那么是否可以说这个系统就是不稳定的呢?实测结果并非如此,首先理想的两极点系统是不满足振荡条件的(频率到无穷大时才满足相位条件)。其次,由于电容ESR会引入另一零点,在使用铝电解电容作为输出主滤波电容的时候,零极点频率比较接近,电容ESR引入的零点会抵消极点的影响。在更高一些的频率,输出功率管引入的零点开始起作用,抵消了输出电容极点的影响。故而,一般说来,基于运放的线性电源都是稳定系统。

在PsPice里面分别作原型电路和行为电路仿真,结果却大相径庭。在电容ESR很低的情况下,行为电路与预测结果类似,频率响应出现尖峰,但是原型电路的频率响应却很平坦。

设定电容ESR为0.2 Ohm 时,原型电路频率响应反而出现尖峰….

 

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