Frekvenskompensation af op-amp og hvorfor det er vigtigt i din op

Operationsforstærkere eller op-forstærkere betragtes som arbejdshesten til analoge elektroniske designs. Tilbage fra den analoge computers æra er Op-forstærkere blevet brugt til matematiske operationer med analoge spændinger, deraf navnet operationsforstærker. Indtil dato bruges Op-Amps i vid udstrækning til spændingssammenligning, differentiering, integration, summering og mange andre ting. Det er overflødigt at sige, at de operationelle forstærkerkredsløb er meget lette at implementere til forskellige formål, men det har få begrænsninger, der ofte fører til kompleksitet.

Den største udfordring er at forbedre stabiliteten af ​​en op-amp i en bred båndbredde af applikationer. Løsningen er at kompensere forstærkeren med hensyn til frekvensrespons ved hjælp af et frekvenskompenseringskredsløb på tværs af operationsforstærkeren. Stabiliteten af ​​en forstærker er meget afhængig af forskellige parametre. Lad os i denne artikel forstå vigtigheden af ​​frekvenskompensation og hvordan man bruger den i dine designs.

Hurtige grundlæggende oplysninger om Op-Amp

Før vi går direkte ind i forhåndsapplikationen af ​​operationelle forstærkere, og hvordan man stabiliserer forstærkeren ved hjælp af frekvenskompenseringsteknik, lad os udforske et par grundlæggende ting om operationsforstærkeren.

En forstærker kan konfigureres som en open-loop-konfiguration eller en closed-loop-konfiguration. I en åben loop-konfiguration er der ingen feedback-kredsløb forbundet med den. Men i en lukket kredsløbskonfiguration har forstærkeren brug for feedback for at fungere korrekt. Den operationelle kan have negativ feedback eller positiv feedback. Hvis feedbacknetværksanalogen på tværs af op-forstærkerens positive terminal kaldes det positiv feedback. Ellers har negative feedbackforstærkere tilbagekoblingskredsløbet forbundet over negativ terminal.

Hvorfor har vi brug for frekvenskompensation i op-forstærkere?

Lad os se nedenstående forstærkerkredsløb. Det er en simpel negativ feedback, ikke-inverterende Op-Amp-kredsløb. Kredsløbet er forbundet som en enhedsgevinst-tilhængerkonfiguration.

Ovenstående kredsløb er meget almindeligt inden for elektronik. Som vi alle ved, har forstærkere meget høj indgangsimpedans på tværs af indgangen og kan give en rimelig strøm på tværs af udgangen. Derfor kan driftsforstærkere drives ved hjælp af lave signaler til at drive belastninger med højere strøm.

Men hvad er den maksimale strøm, som op-forstærkeren kan levere for at køre belastningen sikkert? Ovenstående kredsløb er god nok til at drive rene modstandsbelastninger (ideel modstandsbelastning), men hvis vi forbinder en kapacitiv belastning på tværs af udgangen, bliver op-forstærkeren ustabil og baseret på værdien af ​​belastningskapacitans i værste fald kan op-forstærkeren muligvis selv begynder at svinge.

Lad os undersøge, hvorfor op-amp bliver ustabil, når en kapacitiv belastning er forbundet over output. Ovenstående kredsløb kan beskrives som en simpel formel -

A _{cl =} A / 1 + Aß

En _cl er forstærkning med lukket sløjfe. A er forstærkerens open-loop forstærkning. Det

Ovenstående billede er en repræsentation af formlen og det negative feedbackforstærkerkredsløb. Det er nøjagtigt identisk med den traditionelle negative forstærker, der er nævnt tidligere. De deler begge vekselstrømsindgang på den positive terminal, og begge har den samme feedback i den negative terminal. Cirklen er summen, der har to indgange, en fra indgangssignalet og den anden fra feedback-kredsløbet. Nå, når forstærkeren arbejder i negativ feedback-tilstand, strømmer forstærkerens komplette udgangsspænding gennem feedback-linjen til summeringspunktet. Ved opsummeringskryds tilføjes feedback-spænding og indgangsspænding sammen og føres tilbage til forstærkerens indgang.

Billedet er opdelt i to forstærkningstrin. For det første viser det et komplet kredsløb med lukket kredsløb, da dette er et lukket kredsløbnetværk og også op-forstærkerens åbne kredsløb, fordi op-forstærkeren, der viser A, er et enkeltstående åbent kredsløb, er feedbacken ikke direkte forbundet.

Output fra summeringsforbindelsen forstærkes yderligere af op-amp open-loop forstærkning. Derfor, hvis denne komplette ting er repræsenteret som en matematisk formation, er output over opsummeringskryds -

Vin - Voutß

Dette fungerer godt for at overvinde ustabilitetsproblemet. RC-netværket skaber en pol ved enhed eller 0 dB forstærkning, der dominerer eller annullerer anden højfrekvent poleffekt. Overførselsfunktionen for den dominerende polkonfiguration er -

Hvor, A (s) er den ikke-kompenserede overføringsfunktion, A er open-loop forstærkning, ώ1, ώ2 og ώ3 er de frekvenser, hvor forstærkningen afvikles ved henholdsvis -20dB, -40dB, -60dB. Den Bode plot nedenfor viser, hvad der sker, hvis der tilsættes den dominerende pol kompensation teknik på tværs af op-amp output, hvor fd er den dominerende pol frekvens.

2. Miller kompensation

En anden effektiv kompensationsteknik er kompenseringsteknikken for møller, og det er en in-loop kompensationsteknik, hvor en simpel kondensator bruges med eller uden belastningsisoleringsmodstand (Nulling resistor). Det betyder, at en kondensator er forbundet i feedback-sløjfen for at kompensere for op-amp frekvensresponset.

Den mølleren kompensationskredsløbet er vist nedenfor. I denne teknik er en kondensator forbundet til feedbacken med en modstand på tværs af udgangen.

Kredsløbet er en simpel negativ feedbackforstærker med inverterende forstærkning afhængig af R1 og R2. R3 er nulmodstanden, og CL er den kapacitive belastning over op-amp output. CF er feedback kondensatoren, der bruges til kompensationsformål. Kondensatoren og modstandsværdien afhænger af typen af ​​forstærkerfaser, polkompensation og den kapacitive belastning.

Interne teknikker til frekvenskompensation

Moderne driftsforstærkere har intern kompensationsteknik. I den interne kompensationsteknik er en lille feedback kondensator forbundet inden i op-amp IC mellem de andre trin Common emitter transistor. For eksempel er nedenstående billede det interne diagram over den populære op-amp LM358.

Cc-kondensatoren er forbundet over Q5 og Q10. Det er kompensationskondensatoren (Cc). Denne kompensationskondensator forbedrer forstærkerens stabilitet og forhindrer svingning og ringeffekt over output.

Frekvenskompensation af Op-amp - Praktisk simulering

For at forstå frekvenskompensation mere praktisk, lad os prøve at simulere det ved at overveje nedenstående kredsløb -

Kredsløbet er en simpel negativ feedbackforstærker, der bruger LM393. Denne op-amp har ingen indbygget kompensationskondensator. Vi simulerer kredsløbet i Pspice med en 100 pF kapacitiv belastning og vil kontrollere, hvordan det vil fungere i lav- og højfrekvent drift.

For at kontrollere dette skal man analysere kredsløbet med åben sløjfe og fasemargen. Men det er lidt vanskeligt for krydderiet, da simulering af det nøjagtige kredsløb, som vist ovenfor, repræsenterer dets lukkede forstærkning. Derfor skal der tages særlige overvejelser. Trin til konvertering af ovenstående kredsløb til open-loop forstærkningssimulering (forstærkning vs fase) i pspice er angivet nedenfor,

1. Indgangen er jordforbundet for at opnå feedback-svaret; lukket sløjfe-input til output ignoreres.
2. Inverterende input er opdelt i to dele. Den ene er spændingsdeleren, og en anden er den negative terminal på op-amp.
3. To dele omdøbes for at oprette to separate noder og identifikationsformål under simuleringsfasen. Spændingsdelersektionen omdøbes som feedback, og den negative terminal omdøbes som Inv-input. (Inverterende input).
4. Disse to knuste noder er forbundet med en 0V DC spændingskilde. Dette gøres, fordi begge knudepunkter fra og med DC-spænding har samme spænding, hvilket er vigtigt for kredsløbet for at opfylde det aktuelle krav til driftspunktet.
5. Tilføjelse af spændingskilden med en 1V af AC-stimulus. Dette tvinger de to individuelle knuders spændingsforskel til at blive 1 under vekselstrømsanalysen. En ting er vigtig i dette tilfælde, at forholdet mellem feedback og den inverterende input er afhængig af kredsløbets åbne-loop-forstærkning.

Efter at have foretaget ovenstående trin ser kredsløbet sådan ud -

Kredsløbet får strøm ved hjælp af 15V +/- strømforsyningsskinne. Lad os simulere kredsløbet og kontrollere dets output-bode-plot.

Da kredsløbet ikke har nogen frekvenskompensation, viser simulationen som forventet høj forstærkning ved lav frekvens og lav forstærkning ved høj frekvens. Det viser også meget dårlig fasemargin. Lad os se, hvad der er fasen ved 0 dB forstærkning.

Som du kan se selv ved 0 dB forstærkning eller enhedsforøgelse crossover, giver op-amp 6 grader faseforskydning ved kun kun 100 pF kapacitiv belastning.

Lad os nu improvisere kredsløbet ved at tilføje en frekvens kompensationsmodstand og kondensator for at skabe miller kompensation på tværs af op-amp og analysere resultatet. En nulmodstand på 50 ohm er placeret over op-amp og output med en 100pF kompensationskondensator.

Simuleringen er færdig, og kurven ligner nedenstående,

Fasekurven er meget bedre nu. Faseskiftet ved 0dB forstærkning er næsten 45,5 grader. Forstærkerens stabilitet øges kraftigt ved hjælp af frekvenskompensationsteknikken. Derfor er det bevist, at frekvenskompenseringsteknikken stærkt anbefales for bedre stabilitet af op-kortet. Men båndbredden aftager.

Nu forstår vi vigtigheden af frekvenskompensation af opamp og hvordan man bruger det i vores Op-Amp-design for at undgå ustabilitetsproblemer. Håber du nød at læse vejledningen og lærte noget nyttigt. Hvis du har spørgsmål, skal du lade dem være i vores fora eller i kommentarfeltet nedenfor.