Frekvenčná kompenzácia operačného zosilňovača a prečo je to dôležité vo vašej operácii

Operačné zosilňovače alebo operačné zosilňovače sa považujú za ťahúňa analógových elektronických dizajnov. Späť z éry analógových počítačov sa operačné zosilňovače používali na matematické operácie s analógovými napätiami, preto sa dal názov operačný zosilňovač. Do dnešného dňa sa zosilňovače často používajú na porovnávanie napätia, diferenciáciu, integráciu, sčítanie a mnoho ďalších vecí. Netreba dodávať, že obvody operačného zosilňovača sa dajú ľahko implementovať na rôzne účely, má však niekoľko obmedzení, ktoré často vedú k zložitosti.

Hlavnou výzvou je zlepšenie stability operačného zosilňovača v širokej šírke pásma aplikácií. Riešením je kompenzácia zosilňovača z hľadiska frekvenčnej odozvy pomocou obvodu kompenzácie frekvencie cez operačný zosilňovač. Stabilita zosilňovača veľmi závisí od rôznych parametrov. V tomto článku pochopíme dôležitosť frekvenčnej kompenzácie a jej použitie vo vašich návrhoch.

Rýchle základy operačného zosilňovača

Predtým, ako sa pustíme priamo do pokročilých aplikácií operačných zosilňovačov a ako stabilizovať zosilňovač pomocou techniky frekvenčnej kompenzácie, poďme preskúmať niekoľko základných vecí o operačnom zosilňovači.

Zosilňovač môže byť konfigurovaný ako konfigurácia s otvorenou slučkou alebo s uzavretou slučkou. V konfigurácii s otvorenou slučkou nie sú s ňou spojené žiadne spätnoväzbové obvody. Ale v konfigurácii s uzavretou slučkou potrebuje zosilňovač spätnú väzbu, aby správne fungoval. Prevádzkové môžu mať negatívnu spätnú väzbu alebo pozitívnu spätnú väzbu. Ak je analógová sieť so spätnou väzbou cez kladný terminál operačného zosilňovača, nazýva sa to pozitívna spätná väzba. Inak majú zosilňovače negatívnej spätnej väzby obvody spätnej väzby pripojené cez zápornú svorku.

Prečo potrebujeme frekvenčnú kompenzáciu v operačných zosilňovačoch?

Pozrime sa na obvod zosilňovača uvedený nižšie. Jedná sa o jednoduchý neinvertujúci obvod Op-Amp so zápornou spätnou väzbou. Obvod je pripojený ako konfigurácia sledovača zisku jednoty.

Vyššie uvedený obvod je v elektronike veľmi častý. Ako všetci vieme, zosilňovače majú veľmi vysokú vstupnú impedanciu na vstupe a na výstupe by mohli poskytovať primerané množstvo prúdu. Preto môžu byť operačné zosilňovače riadené pomocou nízkych signálov na napájanie záťaží s vyšším prúdom.

Aký je však maximálny prúd, ktorý môže operačný zosilňovač dodať, aby bezpečne zaťažil? Vyššie uvedený obvod je dosť dobrý na to, aby poháňal čisté odporové záťaže (ideálne odporové zaťaženie), ale ak na výstup pripojíme kapacitné zaťaženie, operačný zosilňovač sa stane nestabilným a v najhoršom prípade bude založený na hodnote zaťažovacej kapacity. dokonca zacnes kmitat.

Poďme preskúmať, prečo je operačný zosilňovač nestabilný, keď je na výstup pripojená kapacitná záťaž. Vyššie uvedený obvod možno opísať ako jednoduchý vzorec -

A _{cl =} A / 1 + Aß

_Cl je zisk closed-loop. A je zisk otvorenej slučky zosilňovača. The

Vyššie uvedený obrázok je znázornením vzorca a obvodu zosilňovača negatívnej spätnej väzby. Je úplne totožný s tradičným negatívnym zosilňovačom uvedeným vyššie. Zdieľajú striedavý vstup na kladnom konci a obe majú rovnakú spätnú väzbu v zápornom konci. Kruh je súčtové spojenie, ktoré má dva vstupy, jeden zo vstupného signálu a druhý zo spätnoväzbového obvodu. Keď zosilňovač pracuje v režime negatívnej spätnej väzby, úplné výstupné napätie zosilňovača preteká spätnoväzbovým vedením do sčítavacieho spojovacieho bodu. Na spoji súčtu sa spätné napätie a vstupné napätie sčítajú a privádzajú späť do vstupu zosilňovača.

Obraz je rozdelený na dve fázy zosilnenia. Po prvé, zobrazuje kompletný obvod s uzavretou slučkou, pretože ide o sieť s uzavretou slučkou a tiež obvod s otvorenou slučkou operačných zosilňovačov, pretože operačný zosilňovač zobrazujúci A je samostatný otvorený obvod, spätná väzba nie je priamo pripojená.

Výstup súčtu spojenia je ďalej zosilnený ziskom operačného zosilňovača s otvorenou slučkou. Preto, ak je táto úplná vec reprezentovaná ako matematický útvar, výstup cez sčítaný spoj je -

Vin - Voutß

Toto funguje skvele na prekonanie problému s nestabilitou. RC sieť vytvára pól s jednotnosťou alebo ziskom 0 dB, ktorý dominuje alebo ruší efekt iných vysokofrekvenčných pólov. Prenosová funkcia konfigurácie dominantného pólu je -

Kde A (s) je nekompenzovaná prenosová funkcia, A je zisk v otvorenej slučke, ώ1, ώ2 a ώ3 sú frekvencie, pri ktorých sa zisk pohybuje pri -20 dB, -40 dB, -60 dB. Nižšie uvedený diagram Bode ukazuje, čo sa stane, ak sa na výstup operačného zosilňovača pridá technika kompenzácie dominantného pólu, kde fd je frekvencia dominantného pólu.

2. Millerova kompenzácia

Ďalšou účinnou kompenzačnou technikou je mlynárska kompenzačná technika a je to technika kompenzácie v slučke, pri ktorej sa používa jednoduchý kondenzátor s alebo bez izolačného odporu (nulovací rezistor). To znamená, že do spätnoväzbovej slučky je pripojený kondenzátor na kompenzáciu frekvenčnej odozvy operačného zosilňovača.

Nižšie je zobrazený kompenzačný obvod mlynára. V tejto technike je kondenzátor pripojený k spätnej väzbe s odporom cez výstup.

Obvod je jednoduchý zosilňovač negatívnej spätnej väzby s invertujúcim ziskom závislým od R1 a R2. R3 je nulový rezistor a CL je kapacitné zaťaženie výstupu operačného zosilňovača. CF je spätnoväzbový kondenzátor, ktorý sa používa na kompenzačné účely. Kondenzátor a hodnota odporu závisia od typu stupňov zosilňovača, kompenzácie pólov a kapacitnej záťaže.

Techniky kompenzácie internej frekvencie

Moderné operačné zosilňovače majú internú kompenzačnú techniku. V technike vnútornej kompenzácie je malý kondenzátor spätnej väzby pripojený dovnútra op-amp IC medzi druhý stupeň spoločného tranzistora emitora. Napríklad nasledujúci obrázok predstavuje interný diagram populárneho operačného zosilňovača LM358.

Cc kondenzátor je pripojený cez Q5 a Q10. Je to kompenzačný kondenzátor (Cc). Tento kompenzačný kondenzátor zlepšuje stabilitu zosilňovača a tiež zabraňuje oscilácii a zvoneniu na výstupe.

Frekvenčná kompenzácia operačného zosilňovača - praktická simulácia

Aby sme pochopili praktickejšiu kompenzáciu frekvencie, skúsme ju simulovať pomocou nižšie uvedeného obvodu -

Obvod je jednoduchý zosilňovač negatívnej spätnej väzby využívajúci LM393. Tento operačný zosilňovač nemá zabudovaný žiadny kompenzačný kondenzátor. Budeme simulovať obvod v Pspice so 100pF kapacitného zaťaženia a skontrolujeme, ako bude fungovať v nízko a vysokofrekvenčnej prevádzke.

Ak to chcete skontrolovať, musíte analyzovať zisk otvorenej slučky a fázové rozpätie obvodu. Ale pre pspice je to trochu zložité, pretože simulácia presného obvodu, ako je uvedené vyššie, bude predstavovať jeho zisk v uzavretej slučke. Preto je potrebné venovať osobitnú pozornosť. Krok konverzie vyššie uvedeného obvodu na simuláciu zisku otvorenej slučky (zisk vs. fáza) v pspice je uvedený nižšie,

1. Vstup je uzemnený, aby sa získala spätnoväzbová odozva; vstup na výstup uzavretej slučky je ignorovaný.
2. Invertujúci vstup je rozdelený na dve časti. Jeden je delič napätia a druhý je záporný pól operačného zosilňovača.
3. Dve časti sú premenované, aby sa vo fáze simulácie vytvorili dva samostatné uzly a identifikačné účely. Sekcia deliča napätia sa premenuje na spätnú väzbu a záporná svorka sa premenuje na vstup Inv. (Invertujúci vstup).
4. Tieto dva prerušené uzly sú spojené so zdrojom napätia 0 V DC. To sa deje preto, lebo z hľadiska jednosmerného napätia majú obidva uzly rovnaké napätie, ktoré je nevyhnutné na to, aby obvod uspokojil požiadavku aktuálneho prevádzkového bodu.
5. Pridanie zdroja napätia k 1 V AC stimulu. To prinúti, aby sa rozdiel napätia dvoch jednotlivých uzlov zmenil na 1 počas analýzy striedavého prúdu. V tomto prípade je dôležitá jedna vec, že ​​pomer spätnej väzby a invertujúceho vstupu je závislý na zisku obvodov s otvorenou slučkou.

Po vykonaní vyššie uvedených krokov obvod vyzerá takto -

Obvod je napájaný pomocou napájacej lišty 15V +/-. Poďme simulovať obvod a skontrolovať jeho výstupný bod.

Pretože obvod nemá žiadnu frekvenčnú kompenzáciu, simulácia podľa očakávaní ukazuje vysoký zisk pri nízkej frekvencii a nízky zisk pri vysokej frekvencii. Taktiež vykazuje veľmi slabú fázovú rezervu. Pozrime sa, aká je fáza pri zisku 0 dB.

Ako môžete vidieť aj pri prechode zosilnenia 0dB alebo zjednotenia zisku, operačný zosilňovač poskytuje 6 stupňov fázového posuvu pri kapacitnom zaťažení iba 100pF.

Teraz poďme improvizovať obvod pridaním rezistora a kondenzátora na kompenzáciu frekvencie, aby sme vytvorili kompenzáciu mlynára cez operačný zosilňovač a analyzovali výsledok. 50 ohmov nulového odporu je umiestnených cez operačný zosilňovač a výstup s kompenzačným kondenzátorom 100pF.

Simulácia je hotová a krivka vyzerá ako nižšie,

Fázová krivka je teraz oveľa lepšia. Fázový posun pri zisku 0 dB je takmer 45,5 stupňov. Stabilita zosilňovača sa vysoko zvyšuje pomocou techniky frekvenčnej kompenzácie. Preto je dokázané, že pre lepšiu stabilitu op-mapy je vysoko odporúčaná technika frekvenčnej kompenzácie. Šírka pásma sa ale zníži.

Teraz chápeme dôležitosť frekvenčnej kompenzácie operačného zosilňovača a ako ho používať v našich dizajnoch Op-Amp, aby sa zabránilo problémom s nestabilitou. Dúfam, že sa vám páčilo čítanie tutoriálu a dozvedeli ste sa niečo užitočné. Ak máte akékoľvek otázky, nechajte ich na našich fórach alebo v sekcii komentárov nižšie.