Частотна компенсація операційного підсилювача та чому це важливо у вашій операції

Операційні підсилювачі або Операційні підсилювачі вважаються робочою силою аналогових електронних конструкцій. Ще з епохи аналогових комп’ютерів Op-Amps використовувались для математичних операцій з аналоговими напругами, звідси і назва операційного підсилювача. Дотеперні підсилювачі широко використовуються для порівняння напруги, диференціації, інтегрування, підсумовування та багатьох інших речей. Зайве говорити, що схеми операційного підсилювача дуже прості в реалізації для різних цілей, але він має невеликі обмеження, які часто призводять до складності.

Основною проблемою є покращення стабільності операційного підсилювача в широкій смузі програм. Рішення полягає в компенсації підсилювача з точки зору АЧХ, використовуючи схему компенсації частоти через операційний підсилювач. Стійкість підсилювача сильно залежить від різних параметрів. У цій статті давайте зрозуміємо важливість компенсації частоти та як її використовувати у своїх проектах.

Короткі основи роботи з підсилювачем

Перш ніж переходити безпосередньо до попереднього застосування операційних підсилювачів та способу стабілізації підсилювача за допомогою техніки частотної компенсації, давайте вивчимо кілька основних речей щодо операційного підсилювача.

Підсилювач може бути налаштований як конфігурація з відкритим циклом або конфігурацією із замкнутим циклом. У конфігурації з відкритим циклом схеми зворотного зв'язку не пов'язані з нею. Але в конфігурації із замкнутим циклом підсилювач потребує зворотного зв’язку для нормальної роботи. Оперативний може мати негативні або позитивні відгуки. Якщо мережа зворотного зв'язку є аналоговою через позитивний термінал операційного підсилювача, це називається позитивним зворотним зв'язком. В іншому випадку підсилювачі негативного зворотного зв'язку мають схему зворотного зв'язку, підключену через негативну клему.

Навіщо нам потрібна компенсація частоти в операційних підсилювачах?

Давайте подивимося нижче схему підсилювача. Це проста неінвертуюча схема підсилювача з негативним зворотним зв'язком. Схема підключена як конфігурація послідовника з посиленням одиниці.

Вищезазначена схема дуже поширена в електроніці. Як ми всі знаємо, підсилювачі мають дуже високий вхідний опір на вході і можуть забезпечити розумну кількість струму на виході. Отже, операційні підсилювачі можуть керуватися за допомогою низьких сигналів для приводу навантажень із більшим струмом.

Але який максимальний струм може подавати операційний підсилювач для безпечного керування навантаженням? Вищевказана схема є достатньо хорошою для керування чистими резистивними навантаженнями (ідеальне резистивне навантаження), але якщо ми підключимо ємнісну навантаження через вихід, операційне підсилювач стане нестабільним і на основі значення ємності навантаження в гіршому випадку операційний підсилювач може навіть починають коливатися.

Давайте дослідимо, чому операційний підсилювач стає нестабільним, коли ємнісний навантаження підключено до виходу. Вищезазначену схему можна описати як просту формулу -

A _{cl =} A / 1 + Aß

_Сл є посилення замкнутого контуру. A - коефіцієнт підсилення підсилювача з відкритим контуром.

Наведене зображення є зображенням формули та схеми підсилювача негативного зворотного зв'язку. Він точно ідентичний традиційному негативному підсилювачу, згаданому раніше. Вони обидва мають вхід змінного струму на позитивному терміналі, і обидва мають однаковий зворотний зв'язок на негативному терміналі. Коло - це підсумовуючий перехід, має два входи, один від вхідного сигналу, а другий від схеми зворотного зв'язку. Ну, коли підсилювач працює в режимі негативного зворотного зв'язку, повна вихідна напруга підсилювача проходить через лінію зворотного зв'язку до точки підсумовування. На сумарному переході напруга зворотного зв'язку та вхідна напруга складаються разом і подаються назад на вхід підсилювача.

Зображення ділиться на два етапи посилення. По-перше, він показує повну схему замкнутого циклу, оскільки це мережа замкнутого циклу, а також ланцюг розімкнутого контуру операційних підсилювачів, оскільки операційний підсилювач, що показує А, є автономною розімкнутою ланцюгом, зворотний зв'язок безпосередньо не підключений.

Вихід підсумовувального переходу додатково посилюється коефіцієнтом підсилення в розімкнутому циклі операційного підсилювача. Отже, якщо ця повна річ представлена ​​у вигляді математичної формації, то вихід через підсумовуючий перехід -

Він - Вутс

Це чудово працює для подолання проблеми нестабільності. Мережа RC створює полюс на рівні одиниці або коефіцієнт посилення 0 дБ, який домінує або скасовує ефект інших високочастотних полюсів. Функція передачі домінуючої конфігурації полюсів -

Де A (s) - це некомпенсована передавальна функція, A - коефіцієнт підсилення в розімкнутому циклі, ώ1, ώ2 і ώ3 - частоти, де коефіцієнт посилення посилюється при -20 дБ, -40 дБ, -60 дБ відповідно. Наведений нижче графік Боде показує, що трапляється, якщо техніку домінуючого полюса додати до виходу підсилювача, де fd - домінуюча частота полюса.

2. Компенсація Міллера

Іншим ефективним методом компенсації є метод компенсації Міллера, і це метод компенсації в контурі, коли використовується простий конденсатор з резистором ізоляції навантаження або без нього (нульовий резистор). Це означає, що конденсатор підключений до контуру зворотного зв'язку, щоб компенсувати частотну характеристику операційного підсилювача.

Схема компенсації фрезерувальника показана нижче. У цій техніці конденсатор підключений до зворотного зв'язку резистором по всьому виходу.

Схема являє собою простий підсилювач негативного зворотного зв'язку з інвертуючим коефіцієнтом підсилення, який залежить від R1 і R2. R3 - нульовий резистор, а CL - ємнісне навантаження на виході операційного підсилювача. CF - конденсатор зворотного зв'язку, який використовується для компенсації. Значення конденсатора та резистора залежать від типу ступенів підсилювача, компенсації полюсів та ємнісного навантаження.

Методи внутрішньої компенсації частоти

Сучасні операційні підсилювачі мають внутрішню техніку компенсації. У техніці внутрішньої компенсації невеликий конденсатор зворотного зв'язку підключений всередині мікросхеми операційного підсилювача між транзистором загального випромінювача другого ступеня. Наприклад, зображення нижче - внутрішня схема популярного підсилювача LM358.

Конденсатор Cc підключений між Q5 і Q10. Це компенсаційний конденсатор (Сс). Цей компенсаційний конденсатор покращує стабільність підсилювача, а також запобігає коливанню та ефекту дзвінка на виході.

Частотна компенсація операційного підсилювача - практичне моделювання

Щоб зрозуміти корекцію частоти більш практично, спробуємо змоделювати її, розглянувши схему нижче -

Схема являє собою простий підсилювач негативного зворотного зв'язку з використанням LM393. Цей операційний підсилювач не має вбудованого компенсаційного конденсатора. Ми змоделюємо схему в Pspice з ємнісним навантаженням 100pF і перевіримо, як вона буде працювати в режимі низьких та високих частот.

Щоб перевірити це, потрібно проаналізувати коефіцієнт підсилення в розімкнутому циклі та запас фази схеми. Але це трохи складно для pspice, оскільки моделювання точної схеми, як показано вище, буде представляти її коефіцієнт підсилення. Тому потрібно враховувати особливі міркування. Етап перетворення вищезазначеної схеми для моделювання коефіцієнта підсилення з відкритим контуром (коефіцієнт підсилення проти фази) у pspice зазначений нижче,

1. Вхід заземлений для отримання відгуку зворотного зв'язку; вхід із замкнутим циклом на вихід ігнорується.
2. Інвертуючий вхід розбитий на дві частини. Один із них - це дільник напруги, а інший - негативна клема операційного підсилювача.
3. Дві частини перейменовано для створення двох окремих вузлів та цілей ідентифікації на етапі моделювання. Секція дільника напруги перейменована як зворотний зв'язок, а негативна клема перейменована на Inv-input. (Інвертування введення).
4. Ці два зламані вузли з'єднані з джерелом напруги постійного струму 0 В. Це робиться тому, що, починаючи з терміну постійної напруги, обидва вузли мають однакову напругу, що є важливим для того, щоб ланцюг задовольнив вимогу поточної робочої точки.
5. Додавання джерела напруги з напругою 1 В змінного струму. Це змушує різницю напруг двох окремих вузлів стати 1 під час аналізу змінного струму. У цьому випадку важливо одне, що співвідношення зворотного зв'язку та інвертуючого входу залежить від коефіцієнта підсилення в розімкнутому контурі.

Після виконання вищевказаних кроків схема виглядає так:

Схема живиться за допомогою рейки живлення 15 В +/-. Давайте змоделюємо схему і перевіримо її вихідний графік.

Оскільки схема не має частотної компенсації, як і очікувалося, моделювання демонструє високий коефіцієнт підсилення при низькій частоті та низький коефіцієнт підсилення при високій частоті. Крім того, він демонструє дуже низький запас фази. Давайте подивимось, що таке фаза при посиленні 0 дБ.

Як ви можете бачити навіть при кросовері з коефіцієнтом посилення 0 дБ або коефіцієнтом посилення одиниці, операційний підсилювач забезпечує 6 градусів зсуву фази лише при ємнісному навантаженні лише 100 пФ.

А тепер давайте імпровізуємо схему, додавши резистор з компенсацією частоти та конденсатор, щоб створити компенсацію фрезерувальника на ОП та проаналізувати результат. Нульовий резистор 50 Ом розміщений по всій ОУ та на виході з компенсаційним конденсатором 100 пФ.

Моделювання виконано, і крива виглядає так, як показано нижче,

Фазова крива зараз набагато краща. Зсув фази при посиленні 0 дБ становить майже 45,5 градусів. Стійкість підсилювача значно підвищується за допомогою техніки частотної компенсації. Тому доведено, що для кращої стабільності операційної карти настійно рекомендується застосовувати техніку частотної компенсації. Але пропускна здатність зменшиться.

Тепер ми розуміємо важливість компенсації частоти операційного підсилювача та його використання в наших конструкціях Op-Amp, щоб уникнути проблем з нестабільністю. Сподіваюся, вам сподобалось читати підручник і дізнатися щось корисне. Якщо у вас виникли запитання, залиште їх на форумах або в розділі коментарів нижче.