Op-amp frekvences kompensācija un kāpēc tā ir svarīga jūsu op

Operatīvie pastiprinātāji vai Op-Amps tiek uzskatīti par analogo elektronisko dizainparaugu darba zirgiem. Atpakaļ no analogo datoru laikmeta, Op-Amps tika izmantoti matemātiskām darbībām ar analogiem spriegumiem, tāpēc tika nosaukts operatīvais pastiprinātājs. Līdz datumam Op-Amps tiek plaši izmantots sprieguma salīdzināšanai, diferenciācijai, integrēšanai, summēšanai un daudzām citām lietām. Lieki piebilst, ka operatīvās pastiprinātāja shēmas ir ļoti viegli īstenojamas dažādiem mērķiem, taču tai ir maz ierobežojumu, kas bieži noved pie sarežģītības.

Galvenais izaicinājums ir uzlabot op-amp stabilitāti plašā lietojumprogrammu joslā. Risinājums ir kompensēt pastiprinātāju frekvences reakcijas izteiksmē, izmantojot operatīvās pastiprinātāja frekvences kompensācijas ķēdi. Pastiprinātāja stabilitāte ir ļoti atkarīga no dažādiem parametriem. Šajā rakstā mēs sapratīsim, cik svarīga ir frekvences kompensācija un kā to izmantot savos dizainos.

Ātrie pamati par Op-Amp

Pirms dodamies tieši uz operatīvo pastiprinātāju iepriekšēju lietošanu un to, kā stabilizēt pastiprinātāju, izmantojot frekvences kompensācijas tehniku, izpētīsim dažas pamatlietas par operatīvo pastiprinātāju.

Pastiprinātāju var konfigurēt kā atvērtas vai slēgtas cilpas konfigurāciju. In atvērtas cilpas konfigurācija, nepastāv atgriezeniskā shēmas ir saistītas ar to. Bet slēgtā cikla konfigurācijā pastiprinātājam ir nepieciešama atgriezeniskā saite, lai tas darbotos pareizi. Operatīvai var būt negatīvas atsauksmes vai pozitīvas atsauksmes. Ja atgriezeniskās saites tīkla analogs pāri op-amp pozitīvajam terminālim, to sauc par pozitīvu atgriezenisko saiti. Pretējā gadījumā negatīvās atgriezeniskās saites pastiprinātājiem atgriezeniskās saites shēma ir savienota pa negatīvo spaili.

Kāpēc mums nepieciešama frekvences kompensācija op-ampēriem?

Apskatīsim zemāk esošo pastiprinātāja shēmu. Tā ir vienkārša negatīvas atsauksmes neinvertējoša Op-Amp ķēde. Ķēde ir savienota kā sekotāju vienotības palielināšanas konfigurācija.

Iepriekš minētā shēma ir ļoti izplatīta elektronikā. Kā mēs visi zinām, pastiprinātājiem ir ļoti augsta ieejas pretestība visā ieejā un tie varētu nodrošināt saprātīgu strāvas daudzumu visā izvadā. Tādēļ operatīvos pastiprinātājus var vadīt, izmantojot zemus signālus, lai vadītu lielākas strāvas slodzes.

Bet kāda ir maksimālā strāva, ko op-amp var piegādāt, lai droši vadītu slodzi? Iepriekš minētā shēma ir pietiekami laba, lai vadītu tīras pretestības slodzes (ideāla pretestības slodze), bet, ja mēs savienojam kapacitatīvu slodzi pāri izejai, op-amp kļūs nestabils un, pamatojoties uz slodzes kapacitātes vērtību, sliktākajā gadījumā op-amp var pat sākt svārstīties.

Izpētīsim, kāpēc op-amp kļūst nestabils, ja pāri izejai ir pievienota kapacitatīvā slodze. Iepriekš minēto shēmu var raksturot kā vienkāršu formulu -

A _{cl =} A / 1 + Aß

_Cl ir slēgtas cilpas pieaugums. A ir pastiprinātāja atvērtās cilpas pastiprinājums. The

Iepriekš redzamais attēls ir formulas un negatīvās atgriezeniskās saites pastiprinātāja shēmas attēlojums. Tas ir precīzi identisks iepriekš norādītajam tradicionālajam negatīvajam pastiprinātājam. Viņiem abiem ir kopīga maiņstrāva pozitīvajā spailē, un abiem ir tādas pašas atsauksmes negatīvajā spailē. Aplis ir summējošais savienojums, kurā ir divas ieejas, viena no ieejas signāla un otra no atgriezeniskās saites ķēdes. Nu, kad pastiprinātājs darbojas negatīvās atgriezeniskās saites režīmā, pastiprinātāja pilnais izejas spriegums plūst caur atgriezeniskās saites līniju uz summējošo savienojuma punktu. Sumēšanas mezglā atgriezeniskais spriegums un ieejas spriegums tiek saskaitīti kopā un tiek atgriezti pastiprinātāja ieejā.

Attēls ir sadalīts divās pakāpēs. Pirmkārt, tā parāda pilnīgu slēgtas ķēdes ķēdi, jo tas ir slēgta cikla tīkls, kā arī op-ampēru atvērtās kontūras ķēde, jo op-amp, kas parāda A, ir atsevišķa atvērta ķēde, atgriezeniskā saite nav tieši savienota.

Summēšanas mezgla izvadi vēl vairāk pastiprina op-amp atvērtās cilpas pastiprinājums. Tāpēc, ja šī pilnīgā lieta tiek attēlota kā matemātisks veidojums, izejas summa summēšanas krustojumā ir -

Vin - Voutß

Tas lieliski palīdz pārvarēt nestabilitātes problēmu. RC tīkls rada polu vienotībā vai 0dB pieaugumu, kas dominē vai atceļ citus augstfrekvences stabu efektus. Dominējošās polu konfigurācijas pārsūtīšanas funkcija ir -

Kur A (s) ir nekompensēta pārsūtīšanas funkcija, A ir atvērtās cilpas pastiprinājums, ώ1, ώ2 un ώ3 ir frekvences, kur pastiprinājums izplūst attiecīgi pie -20dB, -40dB, -60dB. Bode gabals zem rāda, kas notiek, ja dominējošā pole kompensācijas tehnika pievieno visā op-amp izejas, kur FD ir dominējošā pole frekvence.

2. Millera kompensācija

Vēl viena efektīva kompensācijas tehnika ir frēzes kompensācijas tehnika, un tā ir in-loop kompensācijas tehnika, kur vienkāršu kondensatoru izmanto ar vai bez slodzes izolācijas rezistora (Nulling rezistors). Tas nozīmē, ka atgriezeniskās saites lokā ir pievienots kondensators, lai kompensētu op-amp frekvences reakciju.

Dzirnavnieks kompensācija shēma ir parādīta zemāk. Šajā tehnikā kondensators ir savienots ar atgriezenisko saiti ar rezistoru pāri izejai.

Ķēde ir vienkāršs negatīvās atgriezeniskās saites pastiprinātājs ar apgrieztu pastiprinājumu, kas atkarīgs no R1 un R2. R3 ir nulles rezistors, un CL ir kapacitatīvā slodze op-amp izejā. CF ir atgriezeniskās saites kondensators, ko izmanto kompensācijas vajadzībām. Kondensators un rezistora vērtība ir atkarīga no pastiprinātāja pakāpju veida, polu kompensācijas un kapacitatīvās slodzes.

Iekšējās frekvences kompensācijas paņēmieni

Mūsdienu operatīvajiem pastiprinātājiem ir iekšējā kompensācijas tehnika. Iekšējās kompensācijas tehnikā mazs atgriezeniskās saites kondensators ir pievienots op-amp IC iekšpusē starp kopējiem emitētāja tranzistoriem. Piemēram, zemāk redzamais attēls ir populārā op-amp LM358 iekšējā shēma.

Cc kondensators ir savienots pāri Q5 un Q10. Tas ir kompensācijas kondensators (Cc). Šis kompensācijas kondensators uzlabo pastiprinātāja stabilitāti un novērš svārstību un zvana efektu visā izejā.

Op-amp frekvences kompensācija - praktiska simulācija

Lai praktiskāk izprastu frekvences kompensāciju, mēģināsim to simulēt, ņemot vērā zemāk esošo shēmu -

Shēma ir vienkāršs negatīvās atgriezeniskās saites pastiprinātājs, izmantojot LM393. Šim op-amp nav iebūvēts kompensācijas kondensators. Mēs simulēsim ķēdi Pspice ar 100pF kapacitatīvo slodzi un pārbaudīsim, kā tā darbosies zemas un augstas frekvences darbībā.

Lai to pārbaudītu, jāanalizē ķēdes atvērtās cilpas pieaugums un fāzes rezerve. Bet tas ir mazliet grūts pspice, jo precīzas ķēdes simulēšana, kā parādīts iepriekš, parādīs tā slēgtā cikla pieaugumu. Tāpēc jāņem vērā īpaši apsvērumi. Tālāk ir norādīts solis, lai pārveidotu iepriekšminēto ķēdi atvērtas cilpas pastiprināšanas simulācijai (pastiprinājums pret fāzi) pspice,

1. Ieeja ir pamatota, lai iegūtu atgriezenisko saiti; slēgta cikla ievade izvadē tiek ignorēta.
2. Invertējošā ievade ir sadalīta divās daļās. Viens ir sprieguma dalītājs, bet otrs - op-amp negatīvais spaile.
3. Divas daļas tiek pārdēvētas, lai simulācijas posmā izveidotu divus atsevišķus mezglus un identifikācijas mērķus. Sprieguma dalītāja sekcija tiek pārdēvēta par atgriezenisko saiti un negatīvā spaile tiek pārdēvēta par Inv ievadi. (Invertējošā ievade).
4. Šie divi sadalītie mezgli ir savienoti ar 0V līdzstrāvas sprieguma avotu. Tas tiek darīts tāpēc, ka, sākot no līdzstrāvas sprieguma termiņa, abiem mezgliem ir vienāds spriegums, kas ir būtisks, lai ķēde apmierinātu pašreizējās darbības punkta prasības.
5. Sprieguma avota pievienošana ar 1 V maiņstrāvas stimulu. Tas spiež divu atsevišķu mezglu sprieguma starpību kļūt par 1 maiņstrāvas analīzes laikā. Šajā gadījumā būtiska ir viena lieta, ka atgriezeniskās saites un invertējošās ievades attiecība ir atkarīga no ķēdes atvērtās cilpas pieauguma.

Pēc iepriekš minēto darbību veikšanas ķēde izskatās šādi -

Kontūru darbina, izmantojot 15V +/- barošanas sliedi. Simulēsim ķēdi un pārbaudīsim tās izejas koda diagrammu.

Tā kā ķēdei nav frekvences kompensācijas, kā paredzēts, simulācija parāda lielu pastiprinājumu zemā frekvencē un mazu pastiprinājumu augstā frekvencē. Turklāt tā uzrāda ļoti sliktu fāzes rezervi. Apskatīsim, kāda ir fāze pie 0dB pieauguma.

Kā redzat pat pie 0dB vai vienības pieauguma pārejas, op-amp nodrošina 6 grādu fāzes nobīdi tikai ar 100pF kapacitatīvo slodzi.

Tagad improvizēsim ķēdi, pievienojot frekvences kompensācijas rezistoru un kondensatoru, lai izveidotu dzirnavnieka kompensāciju visā op-amp un analizētu rezultātu. 50 omi nulles rezistora tiek novietots pāri op-amp un izejai ar 100pF kompensācijas kondensatoru.

Modelēšana ir pabeigta, un līkne izskatās šādi:

Fāzes līkne tagad ir daudz labāka. Fāzes nobīde pie 0dB pieauguma ir gandrīz 45,5 grādi. Izmantojot frekvences kompensācijas tehniku, pastiprinātāja stabilitāte ir ļoti palielināta. Tāpēc ir pierādīts, ka op-kartes labākai stabilitātei ir ļoti ieteicama frekvences kompensācijas tehnika. Bet joslas platums samazināsies.

Tagad mēs saprotam opamp frekvences kompensācijas nozīmi un to, kā to izmantot mūsu Op-Amp projektos, lai izvairītos no nestabilitātes problēmām. Ceru, ka jums patika lasīt apmācību un uzzinājāt kaut ko noderīgu. Ja jums ir kādi jautājumi, atstājiet tos mūsu forumos vai komentāru sadaļā zemāk.