Frekvencijska kompenzacija op-pojačala i zašto je to važno u vašem op

Operacijska pojačala ili Op-pojačala smatraju se radnim konjem analognih elektroničkih dizajna. Povratak iz doba analognih računala, Op-pojačala su korištena za matematičke operacije s analognim naponima, pa otuda i naziv operacijsko pojačalo. Do danas se Op-pojačala intenzivno koriste za usporedbu napona, diferencijaciju, integraciju, zbrajanje i mnoge druge stvari. Nepotrebno je reći da su krugovi operativnog pojačala vrlo jednostavni za implementaciju u različite svrhe, ali ima malo ograničenja koja često vode do složenosti.

Glavni izazov je poboljšati stabilnost op-pojačala u širokom opsegu aplikacija. Rješenje je kompenzirati pojačalo u smislu frekvencijskog odziva, korištenjem kruga frekvencijske kompenzacije preko operativnog pojačala. Stabilnost pojačala jako ovisi o različitim parametrima. U ovom ćemo članku shvatiti važnost frekvencijske kompenzacije i kako je koristiti u svojim dizajnom.

Kratke osnove op-pojačala

Prije nego što krenemo izravno u primjenu operativnih pojačala i kako stabilizirati pojačalo tehnikom kompenzacije frekvencije, istražimo nekoliko osnovnih stvari o operativnom pojačalu.

Pojačalo se može konfigurirati kao konfiguracija otvorene petlje ili konfiguracija zatvorene petlje. U konfiguraciji otvorene petlje s njom nisu povezani povratni krugovi. Ali u konfiguraciji zatvorene petlje, pojačalo treba povratne informacije da bi ispravno radilo. Operativni može imati negativne ili pozitivne povratne informacije. Ako je mreža povratnih informacija analogna preko pozitivnog terminala op-pojačala, to se naziva pozitivna povratna informacija. Inače, pojačala s negativnom povratnom spregom imaju sklop povratne sprege povezan preko negativnog terminala.

Zašto nam je potrebna kompenzacija frekvencije u op-amperima?

Pogledajmo donji krug pojačala. To je jednostavan neinvertirajući sklop Op-Amp s negativnom povratnom spregom. Krug je povezan kao konfiguracija sljednika s jedinstvenim dobitkom.

Gornji sklop vrlo je čest u elektronici. Kao što svi znamo, pojačala imaju vrlo visoku ulaznu impedansu preko ulaza i mogu pružiti razumnu količinu struje na izlazu. Stoga se operativna pojačala mogu pokretati pomoću niskih signala za pogon opterećenja veće struje.

No, koja je maksimalna struja koju op-pojačalo može isporučiti za siguran pogon? Gornji krug je dovoljno dobar za pogon čistih otpornih opterećenja (idealno otporno opterećenje), ali ako spojimo kapacitivno opterećenje preko izlaza, opcijsko pojačalo će postati nestabilno i na temelju vrijednosti nosivosti u najgorem slučaju opcijsko pojačalo čak početi oscilirati.

Istražimo zašto opcijsko pojačalo postane nestabilno kad je preko izlaza priključeno kapacitivno opterećenje. Gornji sklop možemo opisati kao jednostavnu formulu -

A _{cl =} A / 1 + Aß

_Cl je zatvorene petlje dobitak. A je pojačanje otvorene petlje pojačala. The

Gornja slika predstavlja prikaz formule i kruga pojačala negativne povratne sprege. Potpuno je identično tradicionalnom negativnom pojačalu prethodno spomenutom. Oboje dijele AC ulaz na pozitivnom priključku, a obojica imaju iste povratne informacije na negativnom priključku. Krug je zbrajni spoj koji ima dva ulaza, jedan iz ulaznog signala, a drugi iz povratnog kruga. Pa, kada pojačalo radi u načinu negativne povratne sprege, kompletan izlazni napon pojačala teče kroz povratnu liniju do točke zbrajanja spoja. Na spoju zbrajanja, povratni napon i ulazni napon zbrajaju se i vraćaju natrag na ulaz pojačala.

Slika je podijeljena u dvije faze pojačanja. Prvo, prikazuje kompletni krug zatvorene petlje, jer je ovo mreža zatvorene petlje, a također i krug otvorene petlje op-pojačala, jer je op-pojačalo A koje je prikazano kao samostalni otvoreni krug, povratne informacije nisu izravno povezane.

Izlaz sabirnog spoja dodatno je pojačan pojačalom otvorene petlje op-pojačala. Stoga, ako je ta cjelovita stvar predstavljena kao matematička formacija, izlaz preko zbrajnog spoja je -

Vin - Voutß

Ovo izvrsno funkcionira kako bi se prevladalo pitanje nestabilnosti. RC mreža stvara pol pri jedinici ili 0dB pojačanja koji dominira ili poništava druge efekte polova visoke frekvencije. Funkcija prijenosa dominantne konfiguracije pola je -

Gdje su A (s) nekompenzirana prijenosna funkcija, A je pojačanje otvorene petlje, ώ1, ώ2, a ώ3 su frekvencije gdje se pojačanje pojačava na -20dB, -40dB, -60dB. Donja Bodeova ploha pokazuje što se događa ako se tehnika izravnavanja dominantnog pola doda preko izlaza op-pojačala, gdje je fd dominantna frekvencija pola.

2. Millerova naknada

Sljedeća učinkovita tehnika kompenzacije je tehnika kompenzacije Millera i to je tehnika kompenzacije u petlji gdje se koristi jednostavni kondenzator sa ili bez otpornika za izolaciju opterećenja (nulirajući otpor). To znači da je kondenzator povezan u povratnu petlju kako bi kompenzirao frekvencijski odziv op-pojačala.

Sklop za kompenzaciju glodalice prikazan je u nastavku. U ovoj tehnici kondenzator je povezan s povratnom spregom otpornikom preko izlaza.

Krug je jednostavno pojačalo s negativnom povratnom spregom s invertirajućim pojačanjem ovisno o R1 i R2. R3 je nulti otpor, a CL je kapacitivno opterećenje na optičkom izlazu. CF je povratni kondenzator koji se koristi u svrhu kompenzacije. Vrijednost kondenzatora i otpornika ovise o vrsti stupnja pojačala, kompenzaciji pola i kapacitivnom opterećenju.

Tehnike interne kompenzacije frekvencije

Suvremena operativna pojačala imaju unutarnju tehniku ​​kompenzacije. U tehnici interne kompenzacije, mali kondenzator s povratnom vezom povezan je unutar optičkog pojačala IC između tranzistora zajedničkog emitora drugog stupnja. Na primjer, donja slika je interni dijagram popularnog optičkog pojačala LM358.

Kondenzator Cc povezan je preko Q5 i Q10. To je kompenzacijski kondenzator (Cc). Ovaj kompenzacijski kondenzator poboljšava stabilnost pojačala i sprečava osciliranje i zvonjenje na izlazu.

Frekvencijska kompenzacija op-pojačala - Praktična simulacija

Da bismo praktičnije razumjeli frekvencijsku kompenzaciju, pokušajmo je simulirati uzimajući u obzir donji krug -

Krug je jednostavno pojačalo s negativnom povratnom spregom pomoću LM393. Ovaj opcijski pojačavač nema ugrađen kompenzacijski kondenzator. Mi ćemo simulirati sklop u PSpice s 100pF od kapacitivnih opterećenja, te će provjeriti kako će to izvesti u niske i visoke frekvencije rada.

Da bi se to provjerilo, treba analizirati dobitak otvorene petlje i marginu faze kruga. No, malo je nezgodno za pspice jer će simulacija točnog kruga, kao što je gore prikazano, predstavljati njegov dobitak u zatvorenoj petlji. Stoga treba uzeti u obzir posebna razmatranja. Korak do pretvorbe gornjeg kruga za simulaciju pojačanja otvorene petlje (dobitak u odnosu na fazu) u pspice naveden je u nastavku,

1. Ulaz je utemeljen da bi se dobio povratni odgovor; zatvoreni krug ulaz za izlaz se zanemaruje.
2. Invertiranje ulaza podijeljeno je na dva dijela. Jedan je razdjelnik napona, a drugi negativni priključak op-pojačala.
3. Dva su dijela preimenovana kako bi se stvorila dva odvojena čvora i svrhe identifikacije tijekom faze simulacije. Odjeljak razdjelnika napona preimenovan je u povratnu informaciju, a negativni terminal u Inv-ulaz. (Invertiranje ulaza).
4. Ova dva slomljena čvora povezana su s 0V istosmjernim izvorom napona. To je učinjeno jer, od pojma istosmjernog napona, oba čvora imaju jednak napon što je neophodno da bi krug udovoljio trenutnom zahtjevu radne točke.
5. Dodavanje izvora napona 1V AC podražaja. To prisiljava da razlika napona dvaju pojedinačnih čvorova postane 1 tijekom analize izmjeničnog napona. U ovom je slučaju bitno, da omjer povratne sprege i invertiranog ulaza ovisi o pojačanju otvorene petlje u krugovima.

Nakon što napravite gornje korake, sklop izgleda ovako -

Krug se napaja pomoću 15V +/- tračnice za napajanje. Simulirajmo sklop i provjerimo njegovu izlaznu granu bode.

Budući da krug nema frekvencijsku kompenzaciju, očekivano simulacija pokazuje veliko pojačanje na niskoj frekvenciji i nisko pojačanje na visokoj frekvenciji. Također, pokazuje vrlo lošu marginu faze. Pogledajmo koja je faza pri pojačanju od 0dB.

Kao što možete vidjeti čak i pri presijecanju pojačanja od 0 dB ili jedinici pojačanja, opcijsko pojačalo pruža 6 stupnjeva faznog pomaka pri samo 100 pF kapacitivnog opterećenja.

Ajmo sada improvizirati sklop dodavanjem otpora za frekvencijsku kompenzaciju i kondenzatora kako bismo stvorili Millerovu kompenzaciju preko optičkog pojačala i analizirali rezultat. Nulski otpornik od 50 ohma postavljen je preko optičkog pojačala i na izlaz s kompenzatorskim kondenzatorom od 100 pF.

Simulacija je gotova i krivulja izgleda kao dolje,

Fazna krivulja je sada puno bolja. Fazni pomak pri pojačanju od 0dB je gotovo 45,5 stupnjeva. Stabilnost pojačala je jako povećana tehnikom frekvencijske kompenzacije. Stoga je dokazano da se tehnika kompenzacije frekvencije toplo preporučuje za bolju stabilnost op-mape. Ali će se širina pojasa smanjiti.

Sada razumijemo važnost frekvencijske kompenzacije opampa i kako ga koristiti u našim dizajnom Op-Amp kako bi se izbjegli problemi s nestabilnošću. Nadam se da ste uživali čitajući tutorial i naučili nešto korisno. Ako imate pitanja, ostavite ih na našim forumima ili u odjeljku za komentare u nastavku.