Az op-amp frekvenciakompenzációja és miért fontos az op

Az operációs erősítőket vagy az Op-Amps-okat az analóg elektronikus formatervezési minták munkagépének tekintik. Az analóg számítógépek korából visszamenőleg az Op-Amps-t matematikai műveletekhez használták analóg feszültséggel, ezért az operációs erősítő neve. A dátumig az Op-Amps-t széles körben használják feszültség-összehasonlításra, differenciálásra, integrálásra, összegzésre és sok minden másra. Mondanom sem kell, hogy a műveleti erősítő áramköröket nagyon könnyű megvalósítani különböző célokra, de kevés korlátozása van, ami gyakran összetettséghez vezet.

A legnagyobb kihívás az op-amp stabilitásának javítása az alkalmazások széles sávszélességében. A megoldás az, hogy kompenzálja az erősítőt a frekvencia-válasz szempontjából, a műveleti erősítőn keresztüli frekvenciakompenzációs áramkör használatával. Az erősítő stabilitása nagyban függ a különböző paraméterektől. Ebben a cikkben ismerjük meg a frekvenciakompenzáció fontosságát és annak használatát a tervekben.

Gyors alapok az Op-Amp-on

Mielőtt egyenesen belemennénk a műveleti erősítők előre történő alkalmazásába és az erősítő frekvenciakompenzációs technikával történő stabilizálásába, fedezzünk fel néhány alapvető dolgot a műveleti erősítővel kapcsolatban.

Az erősítő konfigurálható nyílt hurkú vagy zárt hurkú konfigurációként. Egy nyitott hurkos, de nincsenek visszajelzést áramkörök társítva. De zárt hurkú konfigurációban az erősítőnek visszajelzésre van szüksége a megfelelő működéshez. Az operatívnak lehetnek negatív vagy pozitív visszajelzései. Ha a visszacsatolási hálózat analóg az op-amp pozitív terminálján, akkor pozitív visszacsatolásnak nevezzük. Ellenkező esetben a negatív visszacsatolási erősítők visszacsatolási áramköre a negatív terminálon keresztül csatlakozik.

Miért van szükség frekvenciakompenzációra az Op-Amperekben?

Lássuk az alábbi erősítő áramkört. Ez egy egyszerű negatív visszacsatolású, nem invertáló Op-Amp áramkör. Az áramkört egységnyereség-követő konfigurációként csatlakoztatjuk.

A fenti áramkör nagyon gyakori az elektronikában. Mint mindannyian tudjuk, az erősítők nagyon magas bemeneti impedanciával rendelkeznek a bemeneten keresztül, és ésszerű mennyiségű áramot biztosíthatnak a kimeneten. Ezért a műveleti erősítők alacsony jelek segítségével nagyobb áramú terhelések meghajtására használhatók.

De mekkora a maximális áram, amelyet az op-amp képes leadni a terhelés biztonságos vezetése érdekében? A fenti áramkör elég jó tiszta rezisztív terhelések (ideális rezisztív terhelés) meghajtására, de ha kapacitív terhelést kapcsolunk a kimenetre, az op-amp instabillá válik, és a terhelési kapacitás értéke alapján a legrosszabb esetben az op-amp még oszcillálni is kezd.

Vizsgáljuk meg, miért válik instabillá az op-amp, amikor kapacitív terhelés van csatlakoztatva a kimeneten. A fenti áramkör egyszerű képletként írható le -

A _{cl =} A / 1 + Aß

A _cl a zárt hurkú erősítés. A az erősítő nyílt hurkú erősítése. A

A fenti kép a képlet és a negatív visszacsatolású erősítő áramkörének ábrázolása. Pontosan megegyezik a korábban negatív erősítővel. Mindkettő megosztja az AC bemenetet a pozitív terminálon, és mindkettőnek ugyanaz a visszacsatolása a negatív terminálon. A kör az összegző csomópontnak két bemenete van, az egyik a bemeneti jelből, a másik pedig a visszacsatoló áramkörből áll. Nos, amikor az erősítő negatív visszacsatolásos üzemmódban működik, az erősítő teljes kimeneti feszültsége a visszacsatolási vonalon keresztül áramlik az összegző csatlakozási pontig. Az összegző csomópontban a visszacsatolási feszültséget és a bemeneti feszültséget összeadják és visszavezetik az erősítő bemenetére.

A kép két erősítési szakaszra oszlik. Először is, teljes zárt hurkú áramkört mutat, mivel ez egy zárt hurkú hálózat, valamint az op-erősítők nyílt hurkú áramköre, mivel az A-t mutató op-erősítő egy önálló nyitott áramkör, a visszacsatolás nincs közvetlenül összekapcsolva.

Az összegző csomópont kimenetét tovább erősíti az op-amp nyílt hurkú erősítése. Ezért, ha ezt a teljes dolgot matematikai képződményként ábrázolják, az összegző csomópont kimenete a következő:

Vin - Voutß

Ez nagyszerűen működik az instabilitás problémájának leküzdésében. Az RC hálózat egységesen vagy 0dB erősítésű pólust hoz létre, amely uralja vagy elveti a többi nagyfrekvenciás pólushatást. A domináns póluskonfiguráció átviteli funkciója -

Ahol A (s) a kompenzálatlan átviteli függvény, A a nyílt hurkú erősítés, ώ1, ώ2 és ώ3 azok a frekvenciák, ahol az erősítés -20dB, -40dB, -60dB mellett gördül le. Az alábbi Bode-diagram megmutatja, mi történik, ha a domináns póluskompenzációs technikát hozzáadjuk az op-amp kimenethez, ahol fd a domináns pólusfrekvencia.

2. Miller-kompenzáció

Egy másik hatékony kompenzációs technika a molnárkompenzációs technika, és ez egy hurokban történő kompenzációs technika, ahol egyszerű kondenzátort használnak terhelésszigetelő ellenállással vagy anélkül (Nulling ellenállás). Ez azt jelenti, hogy egy kondenzátor csatlakozik a visszacsatolási hurokhoz, hogy kompenzálja az op-amp frekvencia választ.

A molnárkompenzációs áramkör az alábbiakban látható. Ebben a technikában egy kondenzátort a kimeneten lévő ellenállással kapcsolnak a visszacsatoláshoz.

Az áramkör egyszerű negatív visszacsatolású erősítő, amelynek invertáló erősítése R1 és R2 függvénye. Az R3 a nullellenállás, a CL pedig a kapacitív terhelés az op-amp kimeneten. A CF a visszacsatolási kondenzátor, amelyet kompenzációs célokra használnak. A kondenzátor és az ellenállás értéke az erősítő fokozatainak típusától, a póluskompenzációtól és a kapacitív terheléstől függ.

Belső frekvenciakompenzációs technikák

A modern operációs erősítők belső kompenzációs technikával rendelkeznek. A belső kompenzációs technikában egy kis visszacsatoló kondenzátor van bekötve az op-amp IC belső részébe a közös emitter tranzisztor második szakasza között. Például az alábbi kép a népszerű op-amp LM358 belső ábrája.

A CC kondenzátor a Q5 és Q10 keresztirányban csatlakozik. Ez a kompenzációs kondenzátor (Cc). Ez a kompenzációs kondenzátor javítja az erősítő stabilitását, valamint megakadályozza az oszcillációt és a csengőhatást a kimeneten.

Op-amp frekvenciakompenzáció - gyakorlati szimuláció

A frekvenciakompenzáció gyakorlati megértése érdekében próbáljuk meg szimulálni az alábbi áramkör figyelembe vételével -

Az áramkör egy egyszerű negatív visszacsatolású erősítő, amely LM393-at használ. Ennek az op-amp-nak nincs beépítve kompenzációs kondenzátora. Szimulálni fogjuk a Pspice- ben lévő áramkört 100pF kapacitív terheléssel, és ellenőrizni fogjuk, hogyan fog teljesíteni alacsony és magas frekvenciájú üzemben.

Ennek ellenőrzéséhez elemeznie kell az áramkör nyitott hurok erősítését és fázistartományát. De ez egy kicsit bonyolult a pspice számára, mivel a pontos áramkör szimulálása, amint az a fentiekben látható, a zárt hurok erősítését fogja jelenteni. Ezért különös szempontokat kell figyelembe venni. A fenti áramkör konvertálásának lépése nyílt hurkú nyereség-szimulációhoz (nyereség vs fázis) pspice-ben az alábbiakban szerepel,

1. A bemenet megalapozott a visszacsatolási válasz megszerzéséhez; a kimenet zárt hurkú bemenetét figyelmen kívül hagyják.
2. Az inverz bemenet két részre oszlik. Az egyik a feszültségosztó, a másik pedig az op-amp negatív kapcsa.
3. Két rész átnevezése két külön csomópont és azonosítási cél létrehozása a szimulációs szakasz során. A feszültségosztó szakaszt visszacsatolásnak, a negatív kapcsot pedig Inv bemenetnek nevezik át. (Invertáló bemenet).
4. Ez a két megszakadt csomópont 0 V DC feszültségforrással van összekötve. Ez azért történik, mert az egyenfeszültség időtartamától kezdve mindkét csomópont feszültsége azonos, ami elengedhetetlen az áramkör számára az aktuális működési pont követelményének kielégítéséhez.
5. A feszültségforrás hozzáadása 1 V váltakozó áramú ingerrel. Ez arra kényszeríti a két egyes csomópont feszültségkülönbségét, hogy az AC elemzés során 1 legyen. Ebben az esetben egy dolog elengedhetetlen, hogy a visszacsatolás és az invertáló bemenet aránya megbízható legyen az áramkörök nyílt hurkú erősítésétől.

A fenti lépések elvégzése után az áramkör így néz ki -

Az áramellátás 15V +/- tápvezetékkel történik. Szimuláljuk az áramkört és ellenőrizzük a kimeneti bode diagramját.

Mivel az áramkörnek nincs frekvenciakompenzációja, a várakozásoknak megfelelően a szimuláció nagy erősítést mutat alacsony frekvencián és alacsony erősítést nagy frekvencián. Ezenkívül nagyon rossz fázistartományt mutat. Lássuk, mi a fázis a 0dB erősítésnél.

Amint még 0dB-os erősítés vagy egységerősítés esetén is látható, az op-amp 6 fokos fáziseltolódást biztosít, csak 100pF kapacitív terhelés mellett.

Most improvizáljuk az áramkört frekvenciakompenzációs ellenállás és kondenzátor hozzáadásával, hogy az op-amp-on keresztül molnárkompenzációt hozzunk létre és elemezzük az eredményt. 50 Ohm nullellenállást helyeznek az op-amp és a kimenetre 100pF kompenzációs kondenzátorral.

A szimuláció elkészült, és a görbe az alábbiak szerint néz ki,

A fázis görbe most sokkal jobb. A fáziseltolódás 0dB erősítésnél majdnem 45,5 fok. Az erősítő stabilitása a frekvenciakompenzációs technikával erősen megnő. Ezért bebizonyosodott, hogy a frekvenciakompenzációs technika erősen ajánlott az op-térkép jobb stabilitása érdekében. De a sávszélesség csökken.

Most már megértettük az opamp frekvenciakompenzációjának fontosságát és azt, hogyan kell használni az Op-Amp tervekben az instabilitási problémák elkerülése érdekében. Remélem, hogy tetszett olvasni a bemutatót, és valami hasznosat tanult. Ha bármilyen kérdése van, hagyja őket fórumunkban vagy az alábbi megjegyzések részben.