Frekvenční kompenzace operačního zesilovače a proč je to důležité ve vaší operaci

Operační zesilovače nebo operační zesilovače jsou považovány za tahoun analogových elektronických designů. Zpět z doby analogových počítačů byly operační zesilovače používány pro matematické operace s analogovými napětími, proto název operační zesilovač. Dosavadní operační zesilovače jsou široce používány pro srovnání napětí, diferenciaci, integraci, sčítání a mnoho dalších věcí. Netřeba dodávat, že obvody operačního zesilovače jsou velmi snadno implementovatelné pro různé účely, ale má několik omezení, která často vedou ke složitosti.

Hlavním úkolem je zlepšit stabilitu operačního zesilovače v široké šířce pásma aplikací. Řešením je kompenzovat zesilovač z hlediska frekvenční odezvy pomocí obvodu kompenzace frekvence přes operační zesilovač. Stabilita zesilovače je velmi závislá na různých parametrech. V tomto článku pojďme pochopit důležitost frekvenční kompenzace a jak ji použít ve vašich návrzích.

Rychlé základy pro operační zesilovač

Než se pustíme přímo do pokročilé aplikace operačních zesilovačů a jak stabilizovat zesilovač pomocí techniky kompenzace frekvence, prozkoumejme několik základních věcí o operačním zesilovači.

Zesilovač lze konfigurovat jako konfiguraci s otevřenou smyčkou nebo s uzavřenou smyčkou. V konfiguraci s otevřenou smyčkou nejsou s ní spojeny žádné zpětnovazební obvody. Ale v konfiguraci s uzavřenou smyčkou potřebuje zesilovač zpětnou vazbu, aby správně fungoval. Provozní může mít negativní zpětnou vazbu nebo pozitivní zpětnou vazbu. Pokud je síť zpětné vazby analogová přes kladný terminál operačního zesilovače, nazývá se to pozitivní zpětná vazba. Jinak mají zesilovače negativní zpětné vazby obvody zpětné vazby připojené přes zápornou svorku.

Proč potřebujeme kmitočtovou kompenzaci v operačních zesilovačích?

Podívejme se na níže uvedený obvod zesilovače. Jedná se o jednoduchý neinvertující obvod Op-Amp se zápornou zpětnou vazbou. Obvod je připojen jako konfigurace sledovače zisku jednoty.

Výše uvedený obvod je v elektronice velmi běžný. Jak všichni víme, zesilovače mají velmi vysokou vstupní impedanci napříč vstupem a mohou poskytovat přiměřené množství proudu na výstupu. Proto mohou být operační zesilovače poháněny pomocí nízkých signálů k řízení zátěže vyššího proudu.

Jaký je ale maximální proud, který může operační zesilovač dodat, aby bezpečně řídil zátěž? Výše uvedený obvod je dostatečně dobrý pro řízení čistých odporových zátěží (ideální odporová zátěž), ​​ale pokud připojíme kapacitní zátěž přes výstup, operační zesilovač se stane nestabilním a v nejhorším případě může být založen na hodnotě kapacitní zátěže dokonce začít oscilovat.

Pojďme prozkoumat, proč je operační zesilovač nestabilní, když je na výstup připojena kapacitní zátěž. Výše uvedený obvod lze popsat jako jednoduchý vzorec -

A _{cl =} A / 1 + Aß

_Cl je zisk closed-loop. A je zisk otevřené smyčky zesilovače. The

Výše uvedený obrázek je reprezentací vzorce a obvodu zesilovače negativní zpětné vazby. Je přesně totožný s tradičním negativním zesilovačem uvedeným výše. Oba sdílejí střídavý vstup na kladné svorce a oba mají stejnou zpětnou vazbu v záporné svorce. Kruh je sčítací křižovatka má dva vstupy, jeden ze vstupního signálu a druhý ze zpětnovazebního obvodu. Když zesilovač pracuje v režimu negativní zpětné vazby, celé výstupní napětí zesilovače protéká zpětnovazebním vedením do sčítacího spojovacího bodu. Na sčítací křižovatce se zpětné napětí a vstupní napětí sčítají a přivádějí zpět na vstup zesilovače.

Obraz je rozdělen na dvě fáze zesílení. Nejprve ukazuje kompletní obvod s uzavřenou smyčkou, protože se jedná o síť s uzavřenou smyčkou a také obvod s otevřenou smyčkou operačních zesilovačů, protože operační zesilovač zobrazující A je samostatný otevřený obvod, zpětná vazba není přímo připojena.

Výstup sčítacího spojení je dále zesílen ziskem operační smyčky s otevřenou smyčkou. Pokud je tedy tato úplná věc reprezentována jako matematická formace, výstup přes součtový spoj je -

Vin - Voutß

To funguje skvěle k překonání problému nestability. Síť RC vytváří pól s jednotou nebo ziskem 0 dB, který dominuje nebo ruší efekt jiných vysokofrekvenčních pólů. Přenosová funkce konfigurace dominantního pólu je -

Kde A (s) je nekompenzovaná přenosová funkce, A je zisk v otevřené smyčce, ώ1, ώ2 a ώ3 jsou frekvence, kde se zisk odvíjí při -20 dB, -40 dB, -60 dB. Níže uvedený diagram Bode ukazuje, co se stane, pokud je na výstup op-zesilovače přidána technika kompenzace dominantního pólu, kde fd je frekvence dominantního pólu.

2. Kompenzace Millera

Další účinnou kompenzační technikou je kompenzační technika mlynáře a jedná se o kompenzační techniku ​​ve smyčce, kde se používá jednoduchý kondenzátor s nebo bez izolačního odporu (nulovací odpor). To znamená, že ve zpětnovazební smyčce je připojen kondenzátor, který kompenzuje frekvenční odezvu operačního zesilovače.

Níže je uveden kompenzační obvod frézy. V této technice je kondenzátor připojen ke zpětné vazbě s odporem přes výstup.

Obvod je jednoduchý zesilovač negativní zpětné vazby s invertujícím ziskem závislým na R1 a R2. R3 je nulový rezistor a CL je kapacitní zátěž na výstupu op-amp. CF je zpětnovazební kondenzátor, který se používá pro účely kompenzace. Kondenzátor a hodnota odporu závisí na typu zesilovacích stupňů, kompenzaci pólů a kapacitní zátěži.

Techniky kompenzace interní frekvence

Moderní operační zesilovače mají interní kompenzační techniku. V interní kompenzační technice je malý kondenzátor zpětné vazby připojen uvnitř op-amp IC mezi druhý stupeň tranzistoru společného emitoru. Například obrázek níže je interním diagramem populárního operačního zesilovače LM358.

Cc kondenzátor je připojen přes Q5 a Q10. Jedná se o kompenzační kondenzátor (Cc). Tento kompenzační kondenzátor zlepšuje stabilitu zesilovače a také zabraňuje oscilačním a vyzváněcím účinkům na výstupu.

Frekvenční kompenzace operačního zesilovače - praktická simulace

Abychom pochopili praktickou kompenzaci frekvence, zkusme ji simulovat zvážením níže uvedeného obvodu -

Obvod je jednoduchý zesilovač negativní zpětné vazby využívající LM393. Tento operační zesilovač nemá vestavěný žádný kompenzační kondenzátor. Budeme simulovat obvod v Pspice se 100pF kapacitní zátěže a zkontrolujeme, jak bude fungovat v nízko a vysokofrekvenčním provozu.

Chcete-li to zkontrolovat, musíte analyzovat zisk otevřené smyčky a fázovou rezervu obvodu. Ale pro pspice je to trochu složité, protože simulace přesného obvodu, jak je uvedeno výše, bude představovat jeho zisk uzavřené smyčky. Proto je třeba věnovat zvláštní pozornost. Krok převodu výše uvedeného obvodu pro simulaci zisku otevřené smyčky (zisk vs. fáze) v pspice je uveden níže,

1. Vstup je uzemněn, aby se získala odezva zpětné vazby; vstup na výstup uzavřené smyčky je ignorován.
2. Invertující vstup je rozdělen na dvě části. Jeden je dělič napětí a druhý je záporný vývod operačního zesilovače.
3. Dvě části jsou přejmenovány tak, aby během fáze simulace byly vytvořeny dva samostatné uzly a účely identifikace. Část děliče napětí je přejmenována na zpětnou vazbu a záporná svorka je přejmenována na vstup Inv. (Invertující vstup).
4. Tyto dva přerušené uzly jsou spojeny se zdrojem napětí 0V DC. To se děje proto, že z hlediska stejnosměrného napětí mají oba uzly stejné napětí, které je nezbytné, aby obvod uspokojil aktuální požadavek pracovního bodu.
5. Přidání zdroje napětí s 1V střídavého stimulu. To při analýze střídavého proudu vynutí, aby se rozdíl napětí dvou jednotlivých uzlů stal 1. V tomto případě je zásadní jedna věc, že ​​poměr zpětné vazby a invertujícího vstupu je závislý na zisku otevřené smyčky obvodů.

Po provedení výše uvedených kroků vypadá obvod takto -

Obvod je napájen pomocí napájecí lišty 15V +/-. Pojďme simulovat obvod a zkontrolovat jeho graf výstupních bodů.

Protože obvod nemá žádnou frekvenční kompenzaci, simulace podle očekávání vykazuje vysoký zisk při nízké frekvenci a nízký zisk při vysoké frekvenci. Rovněž vykazuje velmi špatnou fázovou rezervu. Podívejme se, jaká je fáze při zisku 0 dB.

Jak můžete vidět i při zesílení 0dB nebo přechodu zesílení jednoty, operační zesilovač poskytuje 6 stupňů fázového posunu při pouhé kapacitní zátěži pouze 100pF.

Pojďme nyní improvizovat obvod přidáním rezistoru a kondenzátoru pro kompenzaci frekvence, abychom vytvořili kompenzaci mlynáře přes operační zesilovač a analyzovali výsledek. 50 ohmů nulového rezistoru je umístěno přes operační zesilovač a výstup s kompenzačním kondenzátorem 100pF.

Simulace je hotová a křivka vypadá jako níže,

Fázová křivka je nyní mnohem lepší. Fázový posun při zisku 0 dB je téměř 45,5 stupňů. Stabilita zesilovače se výrazně zvyšuje pomocí techniky kompenzace frekvence. Proto je prokázáno, že pro lepší stabilitu operační mapy je vysoce doporučena technika kompenzace frekvence. Šířka pásma se ale sníží.

Nyní chápeme důležitost frekvenční kompenzace operační zesilovače a jak ji použít v našich konstrukcích operačních zesilovačů, abychom se vyhnuli problémům s nestabilitou. Doufám, že jste si výuku užili a naučili se něco užitečného. Máte-li jakékoli dotazy, nechte je na našem fóru nebo v sekci komentářů níže.