图 9.1：4-20mA 桥接传感器应用
图 9.2 详细说明了 4～20mA 桥接传感器信号调节器应用中采用的集成电路的主要规格。
图 9.2：4～20mA 调节电路 IC 主要规格
XTR115 VREF 引脚是图 9.3 所示的发射极跟随器输出拓扑运算放大器的输出引脚。
图 9.3：XTR115 VREF 引脚：发射极跟随器输出运算放大器
图 9.4 显示了 XTR11 VREF 引脚的等效示意图。VREF是缓冲的 1.25V 带隙参考电压，经过 2 倍放大后产生 XTR115 2.5V 参考输出电压。发射极跟随器输出级的 Ro 为 4.7k 欧姆。我们是从工厂获得上述信息、RF与 RI 值以及 U1 的 Aol 曲线的，因为 XTR115 的产品说明书并未详细介绍所有资料。我们的总电容负载 CL 为 500nF。Ro 与 CL 互动，形成 XTR115 VREF 运算放大器的 Aol 修正曲线中的第二个极，即 fpu1。请注意：我们无法接入 U1 的 - 输入或 + 输入，因为它是 XTR115 的内部器件。所以我们只能使用一个引脚来补偿放大器稳定性（输出引脚：VREF）。另外，我们希望使 VREF 引脚保持极高的精度，因此在 CL 前面将该引脚与任何电阻串联均不是理想的解决方案。
图 9.4：XTR115 VREF 引脚：电容负载等效示意图
我们将采用图 9.5 所示的 TINA Spice 电路检验运算放大器的 Aol 曲线以及由于 CL 导致的 Aol 修正曲线。我们通过 LT（相关 DC 频率时短路、相关 AC 频率时开路）以及 CT（相关 DC 频率时开路、相关 AC 频率时短路）使用我们的 Spice AC 分析方法。
图9.5：AC 稳定性检查：原始电路
图 9.6 显示了运算放大器 Aol 曲线以及由于 CL 导致的 Aol 修正曲线。在 fcl1 可以看到，就我们的一阶稳定性标准而言不稳定的每十倍频程 40db 的闭合速率。根据预测，CL 导致的 fpu1 为 67.73Hz，其从检测的角度来看在本图中是正确的。
图 9.6：Aol 与修正 Aol：原始电路
我们检查了图 9.7 所示的环路增益图，并可以证实了当相位裕度在-fcl1 位置几乎为零时（0.442 度）对稳定性的担心。
图 9.7：环路增益图：原始电路
我们在图 9.8 进行瞬态稳定性测试 ，即在附带 500nF CL 的闭环电路中注入一个较小的方形波。
图 9.8：瞬态稳定性测试：原始电路
图 9.9 中的瞬态稳定性图再次表明我们的电路并不稳定。我们的运算放大器输出在响应小步阶变化时从未稳定过。请注意：VOA 以大约 2.5V 幅度变化，表明我们的 DC 电平对于本电路而言是正确的。
图 9.9：瞬态稳定性图：原始电路
我们在图 9.10 中明确了用于双极性发射极跟随器输出放大器的输出引脚补偿方法。首先我们用 fpu1 来修正运算放大器原始 Aol 修正曲线，fpu1 是由于 Ro 与 CL 产生的极点（参见曲线 1）。一旦创建了该曲线，我们就可以绘制从曲线 1 与 0dB 交叉点开始的第二条曲线（曲线 2）。从上述起点我们按照每十倍频程 -20dB 的斜率绘制出比 fp1（运算放大器 Aol 低频极点）高一个十倍频程的点，我们在此处把斜率修改到每十倍频程 -40dB。在频率为 fp1 时我们将斜率改回每十倍频程 -20dB，直到与运算放大器的 DC Aol 值相交叉。上述建议的 Aol 修正曲线（曲线 2）满足我们所有经验标准——通过使极点与零点相互保持在一个十倍频程之内，从而保持环路增益相位在环路增益带宽范围不低于 45 度。另外，我们建议的 Aol 修正曲线（曲线 2）还可满足在 fcl2 闭合速率为每十倍频程 20dB 的一阶稳定性标准。
图 9.10：输出引脚补偿：双极性发射极跟随器 图 9.11 说明了我们如何利用 RCO 及 CCO 获得建议的 Aol 修正曲线。另外我们还需要考虑另外一个极点，因为 CCO 在某些高频情况下会短路，而且 CL 与 RCO 将形成一个附加高频极点。即使此极点在 fcl2 之外出现，我们的情况仍然正常。
图 9.11：AC 稳定性检查：输出引脚补偿
由于知道 Ro 与 CL，因此可以利用图 9.12 所示公式以及图 9.10（曲线 2）建议的 Aol 修正曲线计算出补偿分量 RCO 与 CCO 以及由 RCO 与 CL 形成的超高频极点。
图 9.12：输出引脚补偿公式：双极性发射极跟随器
我们在图 9.13 中采用输出引脚补偿方法绘出预测曲线。由于 XTR115 之内的闭环运算放大器以 2 倍增益运行（6dB），闭环 VREF/VIN 曲线始终保持平直，直到在 fcl2 位置与 Aol 修正相交，由于环路增益已经等于零，因此此后该曲线随 Aol 修正曲线一直降低。
图 9.13：最终预测曲线：输出引脚补偿
图 9.14 是在采用图 9.11 所示电路的情况下，我们的 AC 稳定性分析 TINA Spice 模拟结果。在 fcl2 位置时可以看到每十倍频程 20dB 的闭合速率，但是我们应当通过相位图了解详细情况。
图 9.14：Aol 与 Aol 修正：输出引脚补偿
图 9.15 所示的环路增益图证明我们的输出引脚补偿方法可以产生稳定的电路。在 fcl2 位置时相位裕度为 40度，相位在环路增益带宽范围内不会过多低于 45 度。如果需要，我们可以细微调节输出引脚补偿值，以便在 fcl2 获得更高的相位裕度。
图9.15：环路增益：输出引脚补偿
图9.16中的电路采用瞬态稳定性测试来检查采用了输出引脚补偿的最终电路。
图9.16：瞬态稳定性测试：输出引脚补偿
图 9.17 所示的瞬态稳定性测试结果证明了我们的环路增益检查，即输出引脚补偿可以产生稳定的电路。一个较低的过冲以及无过度振铃的一个下冲看起来接近典型的、45 度相位裕度补偿电路。
图9.17：瞬态稳定性图：输出引脚补偿
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