Frekvenskompensasjon av op-amp og hvorfor det er viktig i din op

Operasjonsforsterkere eller op-forsterkere betraktes som arbeidshesten til analoge elektroniske design. Tilbake fra tiden med analoge datamaskiner har Op-Amps blitt brukt til matematiske operasjoner med analoge spenninger, derav navnet operasjonsforsterker. Til dato blir Op-Amps mye brukt for spenningssammenligning, differensiering, integrering, summering og mange andre ting. Det er unødvendig å si at operasjonelle forsterkerkretser er veldig enkle å implementere for forskjellige formål, men det har få begrensninger som ofte fører til kompleksitet.

Den største utfordringen er å forbedre stabiliteten til en op-amp i en bred båndbredde av applikasjoner. Løsningen er å kompensere forsterkeren når det gjelder frekvensrespons, ved å bruke en frekvenskompensasjonskrets over operasjonsforsterkeren. Stabiliteten til en forsterker er sterkt avhengig av forskjellige parametere. I denne artikkelen, la oss forstå viktigheten av frekvenskompensasjon og hvordan du bruker den i designene dine.

Rask grunnleggende informasjon om Op-Amp

Før vi går rett inn i forhåndsapplikasjonen av operasjonelle forsterkere og hvordan du kan stabilisere forsterkeren ved hjelp av frekvenskompensasjonsteknikk, la oss utforske noen grunnleggende ting om operasjonsforsterkeren.

En forsterker kan konfigureres som en konfigurasjon med åpen sløyfe eller en lukket sløyfekonfigurasjon. I en åpen sløyfekonfigurasjon er det ingen tilbakemeldingskretser knyttet til den. Men i en lukket sløyfekonfigurasjon trenger forsterkeren tilbakemelding for å fungere skikkelig. Den operasjonelle kan ha negativ tilbakemelding eller positiv tilbakemelding. Hvis tilbakemeldingsnettverket er analogt over op-ampens positive terminal, kalles det positiv tilbakemelding. Ellers har negative tilbakemeldingsforsterkere tilbakekoblingskretsene koblet over negativ terminal.

Hvorfor trenger vi frekvenskompensasjon i forsterkere?

La oss se forsterkerkretsen nedenfor. Det er en enkel negativ tilbakemelding ikke-inverterende Op-Amp-krets. Kretsen er koblet til som en enhetsgevinstfølgerkonfigurasjon.

Ovennevnte krets er veldig vanlig i elektronikk. Som vi alle vet, har forsterkere veldig høy inngangsimpedans over inngangen og kan gi en rimelig mengde strøm over utgangen. Derfor kan driftsforsterkere drives med lave signaler for å drive belastninger med høyere strøm.

Men hva er den maksimale strømmen op-amp kan levere for å kjøre lasten trygt? Ovennevnte krets er god nok til å drive rene resistive belastninger (ideell resistiv belastning), men hvis vi kobler en kapasitiv belastning over utgangen, vil op-amp bli ustabil og basert på verdien av lastkapasitans i verste fall kan op-amp til og med begynne å svinge.

La oss undersøke hvorfor op-amp blir ustabil når en kapasitiv belastning er koblet over utgangen. Ovennevnte krets kan beskrives som en enkel formel -

A _{cl =} A / 1 + Aß

En _cl er forsterkningen med lukket sløyfe. A er forsterkeren med åpen sløyfe. De

Ovenstående bilde er en representasjon av formelen og den negative tilbakemeldingsforsterkerkretsen. Det er nøyaktig identisk med den tradisjonelle negative forsterkeren som er oppgitt tidligere. De deler begge vekselstrøminngangene på den positive terminalen, og begge har samme tilbakemelding i den negative terminalen. Sirkelen er det summerende krysset har to innganger, en fra inngangssignalet og den andre fra tilbakemeldingskretsen. Vel, når forsterkeren arbeider i negativ tilbakemeldingsmodus, strømmer forsterkerens komplette utgangsspenning gjennom tilbakemeldingslinjen til summeringspunktet. Ved summeringskrysset legges tilbakemeldingsspenning og inngangsspenning sammen og føres tilbake til inngangen til forsterkeren.

Bildet er delt inn i to gevinststadier. For det første viser den fullstendig lukket krets, da dette er et lukket sløyfenettverk og også op-forsterkere med åpen sløyfe fordi op-forsterkeren som viser A er en frittstående åpen krets, og tilbakemeldingen er ikke direkte koblet.

Utgangen fra summeringskrysset forsterkes ytterligere av op-amp open-loop-forsterkningen. Derfor, hvis denne komplette tingen er representert som en matematisk formasjon, er utgangen over summeringskrysset -

Vin - Voutß

Dette fungerer bra for å løse problemet med ustabilitet. RC-nettverket skaper en pol ved enhet eller 0 dB forsterkning som dominerer eller avbryter andre høyfrekvente poleffekter. Overføringsfunksjonen til den dominerende polkonfigurasjonen er -

Hvor, A (s) er den ikke-kompenserte overføringsfunksjonen, A er åpen sløyfeforsterkning, ώ1, ώ2 og ώ3 er frekvensene der forsterkningen avrulles ved henholdsvis -20dB, -40dB, -60dB. Den Bode tomten nedenfor viser hva som skjer hvis den dominerende pol kompensasjon teknikk legges over op-amp utgang, hvor fd er den dominerende pol frekvens.

2. Miller kompensasjon

En annen effektiv kompensasjonsteknikk er kompensasjonsteknikken for møller, og det er en kompensasjonsteknikk i sløyfen der en enkel kondensator brukes med eller uten lastisolasjonsmotstand (Nulling resistor). Det betyr at en kondensator er koblet til tilbakemeldingssløyfen for å kompensere for op-amp frekvensrespons.

De møller kompensasjonskrets er vist nedenfor. I denne teknikken er en kondensator koblet til tilbakemeldingen med en motstand over utgangen.

Kretsen er en enkel negativ tilbakemeldingsforsterker med inverterende forsterkning avhengig av R1 og R2. R3 er nullmotstanden og CL er den kapasitive belastningen over op-amp-utgangen. CF er tilbakemeldingskondensatoren som brukes til kompensasjonsformål. Kondensatoren og motstandsverdien avhenger av typen forsterkertrinn, polkompensasjon og kapasitiv belastning.

Interne teknikker for frekvenskompensasjon

Moderne operasjonsforsterkere har intern kompensasjonsteknikk. I den interne kompensasjonsteknikken er en liten tilbakekoblingskondensator koblet til innsiden av op-amp IC mellom de andre trinnene Common emitter transistor. For eksempel er bildet nedenfor det interne diagrammet til den populære op-amp LM358.

Cc-kondensatoren er koblet over Q5 og Q10. Det er kompensasjonskondensatoren (Cc). Denne kompensasjonskondensatoren forbedrer forsterkerens stabilitet og forhindrer svingning og ringeffekt over utgangen.

Frekvenskompensasjon av Op-amp - Praktisk simulering

For å forstå frekvenskompensasjon mer praktisk, la oss prøve å simulere den ved å vurdere kretsen nedenfor -

Kretsen er en enkel negativ tilbakemeldingsforsterker som bruker LM393. Denne op-amp har ingen innebygd kompensasjonskondensator. Vi vil simulere kretsen i Pspice med en 100 pF kapasitiv belastning og vil sjekke hvordan den vil fungere i lav- og høyfrekvent drift.

For å sjekke dette, må man analysere kretsens åpne forsterkning og fasemargin. Men det er litt vanskelig for krydderet siden simulering av den eksakte kretsen, som vist ovenfor, vil representere dens lukkede gevinst. Derfor må spesielle hensyn tas. Trinnet for å konvertere den ovennevnte kretsen for open-loop gain-simulering (gain vs phase) i pspice er angitt nedenfor,

1. Inngangene er jordet for å få tilbakemeldingsresponsen; inngang til lukket sløyfe til utgang ignoreres.
2. Inverterende innganger er delt i to deler. Den ene er spenningsdeleren og en annen er den negative terminalen til op-amp.
3. To deler omdøpes for å opprette to separate noder og identifikasjonsformål i løpet av simuleringsfasen. Spenningsdelerseksjonen omdøpes som tilbakemelding, og den negative terminalen omdøpes som Inv-inngang. (Inverterende inngang).
4. Disse to ødelagte nodene er koblet til en 0V DC spenningskilde. Dette gjøres fordi begge knutepunktene fra likestrømsspenningen har samme spenning som er viktig for at kretsen skal tilfredsstille gjeldende driftspunktkrav.
5. Legge til spenningskilden med en 1V av AC-stimulansen. Dette tvinger de to individuelle nodespenningsforskjellen til å bli 1 under AC-analysen. En ting er viktig i dette tilfellet, at forholdet mellom tilbakemelding og den inverterende inngangen er pålitelig av kretsens åpne sløyfeforsterkning.

Etter å ha gjort trinnene ovenfor ser kretsen slik ut -

Kretsen får strøm ved hjelp av 15V +/- strømforsyningsskinne. La oss simulere kretsen og sjekke dens utgangsplan.

Siden kretsen ikke har frekvenskompensasjon, viser simuleringen som forventet høy forsterkning ved lav frekvens og lav forsterkning ved høy frekvens. Det viser også veldig dårlig fasemargin. La oss se hva som er fasen ved 0 dB forsterkning.

Som du kan se selv ved 0 dB forsterkning eller enhetsforsterkning, gir op-amp 6 grader faseforskyvning med bare 100 pF kapasitiv belastning.

La oss nå improvisere kretsen ved å legge til en frekvenskompensasjonsmotstand og kondensator for å skape miller-kompensasjon over op-amp og analysere resultatet. En 50 ohm null motstand er plassert over op-amp og utgangen med en 100pF kompensasjonskondensator.

Simuleringen er ferdig og kurven ser ut som nedenfor,

Fasekurven er mye bedre nå. Faseskiftet ved 0 dB forsterkning er nesten 45,5 grader. Forsterkerstabiliteten økes sterkt ved hjelp av teknikken for frekvenskompensasjon. Derfor er det bevist at frekvenskompensasjonsteknikken er sterkt anbefalt for bedre stabilitet av op-kartet. Men båndbredden vil avta.

Nå forstår vi viktigheten av frekvenskompensasjon av opamp og hvordan vi bruker den i våre Op-Amp-design for å unngå ustabilitetsproblemer. Håper du likte å lese veiledningen og lærte noe nyttig. Hvis du har spørsmål, la dem være i forumet vårt eller i kommentarfeltet nedenfor.