Kompensacja częstotliwości wzmacniacza operacyjnego i dlaczego jest ważna w twoim działaniu

Wzmacniacze operacyjne lub wzmacniacze operacyjne są uważane za koń pociągowy analogowych projektów elektronicznych. Od czasów komputerów analogowych wzmacniacze operacyjne były używane do operacji matematycznych z napięciami analogowymi, stąd nazwa wzmacniacz operacyjny. Do dnia dzisiejszego wzmacniacze operacyjne są szeroko stosowane do porównywania napięcia, różnicowania, całkowania, sumowania i wielu innych rzeczy. Nie trzeba dodawać, że obwody wzmacniacza operacyjnego są bardzo łatwe do wdrożenia do różnych celów, ale mają kilka ograniczeń, które często prowadzą do złożoności.

Głównym wyzwaniem jest poprawa stabilności wzmacniacza operacyjnego w szerokim paśmie zastosowań. Rozwiązaniem jest skompensowanie wzmacniacza pod względem odpowiedzi częstotliwościowej poprzez zastosowanie obwodu kompensacji częstotliwości we wzmacniaczu operacyjnym. Stabilność wzmacniacza w dużym stopniu zależy od różnych parametrów. W tym artykule przyjrzyjmy się, jak ważna jest kompensacja częstotliwości i jak ją wykorzystać w swoich projektach.

Szybkie podstawy wzmacniacza operacyjnego

Zanim przejdziemy od razu do zaawansowanych zastosowań wzmacniaczy operacyjnych i jak ustabilizować wzmacniacz za pomocą techniki kompensacji częstotliwości, przyjrzyjmy się kilku podstawowym kwestiom dotyczącym wzmacniacza operacyjnego.

Wzmacniacz może być skonfigurowany w konfiguracji z otwartą pętlą lub zamkniętą pętlą. W konfiguracji z otwartą pętlą nie są z nią powiązane żadne obwody sprzężenia zwrotnego. Jednak w konfiguracji z zamkniętą pętlą wzmacniacz do prawidłowego działania potrzebuje sprzężenia zwrotnego. Operacja może mieć negatywną lub pozytywną opinię. Jeśli sieć sprzężenia zwrotnego jest analogowa na dodatnim zacisku wzmacniacza operacyjnego, nazywa się to dodatnim sprzężeniem zwrotnym. W przeciwnym razie, wzmacniacze z ujemnym sprzężeniem zwrotnym mają obwód sprzężenia zwrotnego podłączony do ujemnego zacisku.

Dlaczego potrzebujemy kompensacji częstotliwości we wzmacniaczach operacyjnych?

Spójrzmy na poniższy obwód wzmacniacza. Jest to prosty, nieodwracający obwód wzmacniacza operacyjnego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Obwód jest podłączony jako konfiguracja wtórnika o wzmocnieniu jedności.

Powyższy obwód jest bardzo powszechny w elektronice. Jak wszyscy wiemy, wzmacniacze mają bardzo wysoką impedancję wejściową na wejściu i mogą zapewnić rozsądną ilość prądu na wyjściu. Dlatego wzmacniacze operacyjne mogą być sterowane przy użyciu niskich sygnałów do sterowania obciążeniami o wyższym prądzie.

Ale jaki jest maksymalny prąd, jaki może dostarczyć wzmacniacz operacyjny, aby bezpiecznie zasilać obciążenie? Powyższy obwód jest wystarczająco dobry, aby napędzać czyste obciążenia rezystancyjne (idealne obciążenie rezystancyjne), ale jeśli podłączymy obciążenie pojemnościowe na wyjściu, wzmacniacz operacyjny stanie się niestabilny i będzie oparty na wartości pojemności obciążenia, w najgorszym przypadku wzmacniacz operacyjny może nawet zaczną oscylować.

Zbadajmy, dlaczego wzmacniacz operacyjny staje się niestabilny, gdy obciążenie pojemnościowe jest podłączone do wyjścia. Powyższy obwód można opisać prostym wzorem -

A _{cl =} A / 1 + Aß

_Cl jest zysk pętli zamkniętej. A to wzmocnienie wzmacniacza w otwartej pętli. Plik

Powyższy obraz przedstawia wzór i obwód wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Jest dokładnie identyczny z tradycyjnym wzmacniaczem ujemnym, o którym mowa wcześniej. Oba mają wspólne wejście AC na zacisku dodatnim i oba mają to samo sprzężenie zwrotne w zacisku ujemnym. Koło jest złączem sumującym, które ma dwa wejścia, jedno z sygnału wejściowego, a drugie z obwodu sprzężenia zwrotnego. Cóż, kiedy wzmacniacz pracuje w trybie ujemnego sprzężenia zwrotnego, całe napięcie wyjściowe wzmacniacza przepływa przez linię sprzężenia zwrotnego do sumującego się punktu połączenia. Na złączu sumującym napięcie sprzężenia zwrotnego i napięcie wejściowe są sumowane i przesyłane z powrotem do wejścia wzmacniacza.

Obraz jest podzielony na dwa stopnie wzmocnienia. Po pierwsze, pokazuje pełny obwód zamkniętej pętli, ponieważ jest to sieć z zamkniętą pętlą, a także obwód otwartej pętli wzmacniacza operacyjnego , ponieważ wzmacniacz operacyjny pokazujący A jest samodzielnym obwodem otwartym, sprzężenie zwrotne nie jest bezpośrednio połączone.

Wyjście złącza sumującego jest dodatkowo wzmacniane przez wzmocnienie pętli otwartej wzmacniacza operacyjnego. Dlatego, jeśli ta kompletna rzecz jest przedstawiona jako formacja matematyczna, wynik przez skrzyżowanie sumujące wynosi -

Vin - Voutß

Działa to świetnie, aby rozwiązać problem niestabilności. Sieć RC tworzy biegun o jedności lub wzmocnieniu 0dB, który dominuje lub eliminuje inne efekty biegunów wysokiej częstotliwości. Funkcja przenoszenia w konfiguracji bieguna dominującego to -

Gdzie A (s) to nieskompensowana funkcja transferu, A to wzmocnienie w otwartej pętli, ώ1, ώ2 i ώ3 to częstotliwości, przy których wzmocnienie spada odpowiednio przy -20dB, -40dB, -60dB. Poniższy wykres Bode'a pokazuje, co się stanie, jeśli technika kompensacji dominującego bieguna zostanie dodana do wyjścia wzmacniacza operacyjnego, gdzie fd jest dominującą częstotliwością biegunową.

2. Odszkodowanie Millera

Inną skuteczną techniką kompensacji jest technika kompensacji młynarza i jest to technika kompensacji w pętli, w której prosty kondensator jest używany z rezystorem izolującym obciążenie lub bez niego (rezystor zerujący). Oznacza to, że kondensator jest podłączony do pętli sprzężenia zwrotnego, aby skompensować odpowiedź częstotliwościową wzmacniacza operacyjnego.

Obwód kompensacji Miller jest pokazany poniżej. W tej technice kondensator jest połączony ze sprzężeniem zwrotnym z rezystorem na wyjściu.

Obwód jest prostym wzmacniaczem z ujemnym sprzężeniem zwrotnym z odwracającym wzmocnieniem zależnym od R1 i R2. R3 to rezystor zerowy, a CL to obciążenie pojemnościowe na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. CF to kondensator sprzężenia zwrotnego, który jest używany do celów kompensacji. Kondensator i wartość rezystora zależą od rodzaju stopni wzmacniacza, kompensacji biegunów i obciążenia pojemnościowego.

Techniki kompensacji częstotliwości wewnętrznej

Nowoczesne wzmacniacze operacyjne mają wewnętrzną technikę kompensacji. W technice wewnętrznej kompensacji mały kondensator sprzężenia zwrotnego jest podłączony wewnątrz układu scalonego wzmacniacza operacyjnego między drugim stopniem tranzystora wspólnego emitera. Na przykład poniższy obraz to wewnętrzny schemat popularnego wzmacniacza operacyjnego LM358.

Kondensator Cc jest podłączony do Q5 i Q10. Jest to kondensator kompensacyjny (Cc). Ten kondensator kompensacyjny poprawia stabilność wzmacniacza, a także zapobiega oscylacjom i efektowi dzwonienia na wyjściu.

Kompensacja częstotliwości wzmacniacza operacyjnego - praktyczna symulacja

Aby bardziej praktycznie zrozumieć kompensację częstotliwości, spróbujmy ją zasymulować, biorąc pod uwagę poniższy obwód -

Obwód jest prostym wzmacniaczem z ujemnym sprzężeniem zwrotnym wykorzystującym LM393. Ten wzmacniacz operacyjny nie ma wbudowanego kondensatora kompensacyjnego. Będziemy symulować obwód w Pspice z 100pF pojemnościowego obciążenia i sprawdzić, jak będzie wykonać w niskiej i wysokiej częstotliwości pracy.

Aby to sprawdzić, należy przeanalizować wzmocnienie w otwartej pętli i margines fazowy obwodu. Ale jest to trochę trudne dla pspice, ponieważ symulacja dokładnego obwodu, jak pokazano powyżej, będzie reprezentować jego wzmocnienie w zamkniętej pętli. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę. Krok do konwersji powyższego obwodu do symulacji wzmocnienia w otwartej pętli (wzmocnienie vs faza) w pspice jest podany poniżej,

1. Wejście jest uziemione, aby uzyskać odpowiedź zwrotną; wejście do wyjścia w pętli zamkniętej jest ignorowane.
2. Wejście odwracające jest podzielone na dwie części. Jeden to dzielnik napięcia, a drugi to zacisk ujemny wzmacniacza operacyjnego.
3. Nazwy dwóch części zostały zmienione w celu utworzenia dwóch oddzielnych węzłów i celów identyfikacji podczas fazy symulacji. Sekcja dzielnika napięcia została przemianowana na sprzężenie zwrotne, a zacisk ujemny na wejście Inv. (Odwracanie wejścia).
4. Te dwa uszkodzone węzły są połączone ze źródłem napięcia 0 V DC. Dzieje się tak, ponieważ od terminu napięcia stałego oba węzły mają to samo napięcie, które jest niezbędne, aby obwód spełniał wymagania dotyczące bieżącego punktu pracy.
5. Dodanie źródła napięcia z 1V bodźca AC. Zmusza to różnicę napięcia między dwoma pojedynczymi węzłami do wartości 1 podczas analizy prądu przemiennego. W tym przypadku istotne jest to, że stosunek sygnału sprzężenia zwrotnego do wejścia odwracającego zależy od wzmocnienia obwodu otwartej pętli.

Po wykonaniu powyższych czynności obwód wygląda następująco -

Układ zasilany jest z szyny zasilającej 15V +/-. Zasymulujmy obwód i sprawdźmy wykres wyjściowy.

Ponieważ obwód nie ma kompensacji częstotliwości, zgodnie z oczekiwaniami symulacja wykazuje duże wzmocnienie przy niskiej częstotliwości i małe wzmocnienie przy wysokiej częstotliwości. Pokazuje również bardzo słaby margines fazowy. Zobaczmy, jaka jest faza przy wzmocnieniu 0dB.

Jak widać, nawet przy wzmocnieniu 0 dB lub zwrotnicy przy wzmocnieniu jedności, wzmacniacz operacyjny zapewnia 6 stopni przesunięcia fazowego przy zaledwie 100 pF obciążeniu pojemnościowym.

Teraz zaimprowizujmy obwód, dodając rezystor kompensacji częstotliwości i kondensator, aby utworzyć kompensację Millera we wzmacniaczu operacyjnym i przeanalizować wynik. 50-omowy rezystor zerowy jest umieszczony na wzmacniaczu operacyjnym i wyjściu z kondensatorem kompensacyjnym 100pF.

Symulacja jest zakończona, a krzywa wygląda jak poniżej,

Krzywa fazy jest teraz znacznie lepsza. Przesunięcie fazowe przy wzmocnieniu 0 dB wynosi prawie 45,5 stopnia. Stabilność wzmacniacza jest znacznie zwiększona dzięki zastosowaniu techniki kompensacji częstotliwości. Dlatego udowodniono, że technika kompensacji częstotliwości jest wysoce zalecana dla lepszej stabilności mapy operacyjnej. Ale przepustowość zmniejszy się.

Teraz rozumiemy, jak ważna jest kompensacja częstotliwości wzmacniacza operacyjnego i jak jej używać w naszych projektach wzmacniaczy operacyjnych, aby uniknąć problemów z niestabilnością. Mam nadzieję, że spodobał Ci się samouczek i nauczyłeś się czegoś pożytecznego. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je na naszym forum lub w sekcji komentarzy poniżej.