Честотна компенсация на операционния усилвател и защо е важно във вашата операционна система

Операционните усилватели или Op-усилвателите се считат за работния кон на Analog Electronic Designs. Обратно от ерата на аналоговите компютри, Op-усилвателите са били използвани за математически операции с аналогови напрежения, откъдето идва и името операционен усилвател. До момента Op-усилвателите се използват широко за сравнение на напрежението, диференциация, интегриране, сумиране и много други неща. Излишно е да казвам, че операционните усилвателни схеми са много лесни за изпълнение за различни цели, но той има малко ограничения, които често водят до сложност.

Основното предизвикателство е да се подобри стабилността на операционния усилвател в широка честотна лента на приложенията. Решението е да се компенсира усилвателя по отношение на честотната характеристика, като се използва верига за честотна компенсация през операционния усилвател. Стабилността на усилвателя силно зависи от различни параметри. В тази статия нека разберем значението на честотната компенсация и как да я използваме във вашите проекти.

Бързи основи на Op-Amp

Преди да преминем направо към предварително прилагане на операционни усилватели и как да стабилизираме усилвателя, използвайки техника за честотна компенсация, нека разгледаме няколко основни неща за операционния усилвател.

Усилвателят може да бъде конфигуриран като конфигурация с отворен цикъл или конфигурация със затворен цикъл. В конфигурация с отворен контур няма свързани вериги за обратна връзка. Но в конфигурация със затворен цикъл усилвателят се нуждае от обратна връзка, за да работи правилно. Оперативният може да има отрицателна или положителна обратна връзка. Ако мрежата за обратна връзка е аналогова през положителния терминал на операционния усилвател, това се нарича положителна обратна връзка. В противен случай усилвателите с отрицателна обратна връзка имат верига за обратна връзка, свързана през отрицателен терминал.

Защо се нуждаем от компенсация на честотата в Op-усилвателите?

Нека да видим схемата на усилвателя по-долу. Това е проста неинвертираща Op-Amp верига с отрицателна обратна връзка. Веригата е свързана като конфигурация на последовател с единично усилване.

Горната схема е много често срещана в електрониката. Както всички знаем, усилвателите имат много висок входен импеданс през входа и могат да осигурят разумно количество ток през изхода. Следователно операционните усилватели могат да бъдат задвижвани с помощта на ниски сигнали за задвижване на товари с по-висок ток.

Но какъв е максималният ток, който операционният усилвател може да достави, за да управлява товара безопасно? Горната схема е достатъчно добра, за да управлява чисти резистивни натоварвания (идеално резистивно натоварване), но ако свържем капацитивен товар през изхода, операционният усилвател ще стане нестабилен и въз основа на стойността на капацитета на товара в най-лошия случай операционният усилвател дори започват да трептят.

Нека да проучим защо операционният усилвател става нестабилен, когато капацитивен товар е свързан към изхода. Горната схема може да бъде описана като проста формула -

A _{cl =} A / 1 + Aß

А _CL е печалба затворен цикъл. A е коефициентът на усилване с отворен контур. The

Горното изображение е представяне на формулата и веригата на усилвателя с отрицателна обратна връзка. Той е напълно идентичен с традиционния отрицателен усилвател, посочен по-горе. И двамата споделят AC вход на положителния терминал и двамата имат една и съща обратна връзка в отрицателния терминал. Кръгът е сумиращото кръстовище има два входа, единият от входния сигнал и вторият от веригата за обратна връзка. Е, когато усилвателят работи в режим на отрицателна обратна връзка, пълното изходно напрежение на усилвателя тече през линията за обратна връзка до сумиращата точка на свързване. В сумиращото кръстовище напрежението на обратната връзка и входното напрежение се събират и подават обратно във входа на усилвателя.

Изображението е разделено на два етапа на усилване. Първо, той показва пълна верига със затворен цикъл, тъй като това е мрежа със затворен цикъл, а също и верига с отворен цикъл на операционните усилватели, тъй като операционният усилвател, показващ A, е самостоятелна отворена верига, обратната връзка не е пряко свързана.

Изходът на сумиращото кръстовище се усилва допълнително от усилването на оп-усилвателя с отворен цикъл. Следователно, ако това цялостно нещо е представено като математическа формация, изходът в сумиращото кръстовище е -

Vin - Voutß

Това работи чудесно за преодоляване на проблема с нестабилността. RC мрежата създава полюс при единица или 0dB усилване, което доминира или отменя други високочестотни полюсни ефекти. Предавателната функция на доминиращата конфигурация на полюса е -

Където A (s) е некомпенсирана трансферна функция, A е коефициентът на усилване с отворен контур, ώ1, ώ2 и ώ3 са честотите, при които усилването се отклонява съответно при -20dB, -40dB, -60dB. В парцела Боде -долу показва какво се случва, ако господстващото техника полюс обезщетение се добавя през изхода на оп-усилвател, където FD е доминиращ полюс честота.

2. Компенсация на Милър

Друга ефективна техника на компенсация е техниката на компенсация на фрезата и тя е техника на компенсация в контура, при която се използва обикновен кондензатор със или без резистор за изолиране на товара (нулиращ резистор). Това означава, че кондензатор е свързан в контура за обратна връзка, за да компенсира честотната характеристика на усилвателя.

Схемата за компенсация на фрезата е показана по-долу. При тази техника кондензатор е свързан към обратната връзка с резистор през изхода.

Веригата е обикновен усилвател с отрицателна обратна връзка с инвертиращ коефициент на усилване в зависимост от R1 и R2. R3 е нулевият резистор, а CL е капацитивният товар в изхода на операционния усилвател. CF е кондензаторът за обратна връзка, който се използва за целите на компенсацията. Кондензаторът и стойността на резистора зависят от вида на усилвателните каскади, компенсацията на полюсите и капацитивния товар.

Техники за вътрешна компенсация на честотата

Съвременните операционни усилватели имат техника за вътрешна компенсация. При техниката на вътрешна компенсация, малък кондензатор с обратна връзка е свързан вътре в интегралната схема на усилвателя между вторите етапи Общ емитер транзистор. Например, изображението по-долу е вътрешната схема на популярния усилвател LM358.

Кондензаторът Cc е свързан през Q5 и Q10. Това е компенсационен кондензатор (Cc). Този компенсационен кондензатор подобрява стабилността на усилвателя и също така предотвратява трептенето и ефекта на звънене през изхода.

Честотна компенсация на Op-amp - Практическа симулация

За да разберем по-практично честотната компенсация, нека се опитаме да я симулираме, като разгледаме следната схема -

Веригата е обикновен усилвател с отрицателна обратна връзка, използващ LM393. Този операционен усилвател няма вграден компенсационен кондензатор. Ще симулираме веригата в Pspice със 100pF капацитивен товар и ще проверим как ще се представи при работа с ниска и висока честота.

За да се провери това, трябва да се анализира печалбата с отворен цикъл и фазовия марж на веригата. Но това е малко сложно за pspice, тъй като симулирането на точната схема, както е показано по-горе, ще представлява нейната печалба от затворен цикъл. Следователно трябва да се вземат специални съображения. Стъпката за преобразуване на горната схема за симулация на печалба с отворен цикъл (печалба спрямо фаза) в pspice е посочена по-долу,

1. Входът е заземен за получаване на обратна връзка; входът за затворен цикъл към изхода се игнорира.
2. Инвертиращият вход е разделен на две части. Единият е делителят на напрежението, а другият е отрицателният извод на операционния усилвател.
3. Две части се преименуват, за да се създадат два отделни възла и цели за идентификация по време на фазата на симулация. Разделителят на напрежението се преименува като обратна връзка, а отрицателният терминал се преименува на Inv-вход. (Обръщане на входа).
4. Тези два счупени възла са свързани с източник на напрежение 0V DC. Това се прави, тъй като от срока на постояннотоковото напрежение и двата възела имат едно и също напрежение, което е от съществено значение за веригата да задоволи изискването на текущата работна точка.
5. Добавяне на източника на напрежение с 1V от AC стимула. Това принуждава разликата в напрежението на двата отделни възла да стане 1 по време на AC анализа. Едно нещо е от съществено значение в този случай, че съотношението на обратната връзка и инвертиращия вход зависи от усилването на веригата с отворен цикъл.

След като направите горните стъпки, веригата изглежда така -

Веригата се захранва с помощта на 15V +/- захранваща шина. Нека симулираме веригата и проверим нейния изходен график.

Тъй като веригата няма честотна компенсация, както се очаква, симулацията показва висока печалба при ниска честота и ниска печалба при висока честота. Също така, той показва много лош фазов марж. Нека да видим каква е фазата при 0dB печалба.

Както можете да видите дори при кросоувър 0dB или единично усилване, оп-усилвателят осигурява 6 градуса на фазово отместване при само 100pF капацитивен товар.

Сега нека импровизираме веригата, като добавим резистор за компенсация на честотата и кондензатор, за да създадем компенсация на фреза в операционния усилвател и да анализираме резултата. 50 ома нулев резистор се поставя през операционния усилвател и изхода с компенсационен кондензатор 100pF.

Симулацията е направена и кривата изглежда по-долу,

Фазовата крива е много по-добра сега. Фазовото изместване при усилване от 0dB е почти 45,5 градуса. Устойчивостта на усилвателя е силно увеличена, използвайки техниката на честотна компенсация. Следователно е доказано, че техниката за честотна компенсация е силно препоръчителна за по-добрата стабилност на op-картата. Но честотната лента ще намалее.

Сега разбираме значението на честотната компенсация на opamp и как да го използваме в нашите Op-Amp проекти, за да избегнем проблеми с нестабилността. Надявам се да ви е харесало да прочетете урока и да научите нещо полезно. Ако имате въпроси, оставете ги в нашия форум или в раздела за коментари по-долу.