Frequentiecompensatie van op-amp en waarom het belangrijk is in uw op

Operationele versterkers of op-amps worden beschouwd als het werkpaard van analoge elektronische ontwerpen. Terug uit het tijdperk van analoge computers, werden Op-Amps gebruikt voor wiskundige bewerkingen met analoge spanningen, vandaar de naam operationele versterker. Tot op heden worden Op-Amps op grote schaal gebruikt voor spanningsvergelijking, differentiatie, integratie, sommatie en vele andere dingen. Het behoeft geen betoog dat de operationele versterkercircuits zeer eenvoudig te implementeren zijn voor verschillende doeleinden, maar dat er weinig beperkingen zijn die vaak tot complexiteit leiden.

De grootste uitdaging is om de stabiliteit van een op-amp te verbeteren in een brede bandbreedte van applicaties. De oplossing is om de versterker te compenseren in termen van frequentierespons door een frequentiecompensatiecircuit over de operationele versterker te gebruiken. De stabiliteit van een versterker is sterk afhankelijk van verschillende parameters. Laten we in dit artikel het belang van frequentiecompensatie begrijpen en hoe u deze in uw ontwerpen kunt gebruiken.

Snelle basisprincipes van Op-Amp

Voordat we direct ingaan op de geavanceerde toepassing van operationele versterkers en hoe de versterker kan worden gestabiliseerd met behulp van frequentiecompensatietechniek, laten we eerst een paar basiszaken over de operationele versterker onderzoeken.

Een versterker kan worden geconfigureerd als een open-lusconfiguratie of een gesloten-lusconfiguratie. In een open-lusconfiguratie zijn er geen feedbackcircuits aan gekoppeld. Maar in een gesloten-lusconfiguratie heeft de versterker feedback nodig om goed te werken. De operationeel persoon kan negatieve feedback of positieve feedback hebben. Als het feedbacknetwerk analoog is over de positieve terminal van de op-amp, wordt dit positieve feedback genoemd. Anders hebben negatieve feedbackversterkers het feedbackcircuit verbonden over de negatieve pool.

Waarom hebben we frequentiecompensatie nodig in Op-Amps?

Laten we het onderstaande versterkercircuit bekijken. Het is een eenvoudig niet-inverterend Op-Amp-circuit met negatieve feedback. Het circuit is aangesloten als een eenheidsversterking volgerconfiguratie.

Het bovenstaande circuit is heel gebruikelijk in elektronica. Zoals we allemaal weten, hebben versterkers een zeer hoge ingangsimpedantie over de ingang en kunnen ze een redelijke hoeveelheid stroom over de uitgang leveren. Daarom kunnen operationele versterkers worden aangestuurd met behulp van lage signalen om belastingen met hogere stroom aan te sturen.

Maar wat is de maximale stroom die de op-amp kan leveren om de belasting veilig te besturen? Het bovenstaande circuit is goed genoeg om pure resistieve belastingen aan te sturen (ideale resistieve belasting), maar als we een capacitieve belasting over de uitgang aansluiten, wordt de op-amp onstabiel en op basis van de waarde van de belastingscapaciteit in het slechtste geval kan de op-amp zelfs beginnen te oscilleren.

Laten we eens kijken waarom de op-amp onstabiel wordt wanneer een capacitieve belasting over de uitgang wordt aangesloten. Het bovenstaande circuit kan worden beschreven als een eenvoudige formule -

Een _{cl =} A / 1 + Aß

Een _cl is de gain met gesloten lus. A is de open-lusversterking van de versterker. De

De bovenstaande afbeelding is een weergave van de formule en het versterkercircuit met negatieve feedback. Het is exact identiek aan de eerder genoemde traditionele negatieve versterker. Ze delen allebei de AC-ingang op de positieve pool en hebben beide dezelfde feedback op de negatieve pool. De cirkel is het sommerende knooppunt en heeft twee ingangen, een van het ingangssignaal en de tweede van het feedbackcircuit. Welnu, wanneer de versterker in de negatieve feedbackmodus werkt, stroomt de volledige uitgangsspanning van de versterker door de feedbacklijn naar het sommerende verbindingspunt. Bij het sommeringsknooppunt worden de terugkoppelspanning en de ingangsspanning bij elkaar opgeteld en teruggevoerd naar de ingang van de versterker.

Het beeld is verdeeld in twee versterkingsfasen. Ten eerste vertoont het een volledig gesloten circuit, aangezien dit een gesloten netwerk is, en ook het op-amps open-luscircuit omdat de op-amp die A toont een op zichzelf staand open circuit is, de feedback is niet rechtstreeks verbonden.

De output van de sommerende junctie wordt verder versterkt door de op-amp open-lusversterking. Daarom, als dit complete ding wordt weergegeven als een wiskundige formatie, is de uitvoer over de optelovergang -

Vin - Voutß

Dit werkt uitstekend om het instabiliteitsprobleem te verhelpen. Het RC-netwerk creëert een pool met een versterking van één of 0dB die andere hoogfrequente polen-effecten domineert of annuleert. De overdrachtsfunctie van de dominante poolconfiguratie is -

Waar, A (s) de niet-gecompenseerde overdrachtsfunctie is, is A de open-lusversterking, ώ1, ώ2 en ώ3 zijn de frequenties waarbij de versterkingsafname respectievelijk -20dB, -40dB, -60dB is. De onderstaande Bode-grafiek laat zien wat er gebeurt als de dominante poolcompensatietechniek wordt toegevoegd over de op-amp-uitgang, waarbij fd de dominante poolfrequentie is.

2. Miller-compensatie

Een andere effectieve compensatietechniek is de miller-compensatietechniek en het is een in-loop compensatietechniek waarbij een eenvoudige condensator wordt gebruikt met of zonder belastingsisolatieweerstand (Nulling-weerstand). Dat betekent dat er een condensator is aangesloten in de feedbacklus om de frequentierespons van de op-amp te compenseren.

Het compensatiecircuit van de freesmachine wordt hieronder getoond. Bij deze techniek wordt een condensator verbonden met de terugkoppeling met een weerstand over de uitgang.

Het circuit is een eenvoudige versterker met negatieve terugkoppeling met een inverterende versterking die afhankelijk is van R1 en R2. De R3 is de nulweerstand en de CL is de capacitieve belasting over de op-amp-uitgang. CF is de feedbackcondensator die wordt gebruikt voor compensatiedoeleinden. De condensator en de weerstandswaarde zijn afhankelijk van het type versterkertrappen, poolcompensatie en de capacitieve belasting.

Technieken voor interne frequentiecompensatie

Moderne operationele versterkers hebben een interne compensatietechniek. In de interne compensatietechniek is een kleine feedbackcondensator aangesloten in de op-amp IC tussen de Common Emitter-transistor van de tweede trap. De onderstaande afbeelding is bijvoorbeeld het interne diagram van de populaire op-amp LM358.

De Cc-condensator is aangesloten over de Q5 en Q10. Het is de compensatiecondensator (Cc). Deze compensatiecondensator verbetert de stabiliteit van de versterker en voorkomt ook het oscillatie- en ringeffect over de uitgang.

Frequentiecompensatie van Op-amp - Praktische simulatie

Om frequentiecompensatie praktischer te begrijpen, proberen we het te simuleren door het onderstaande circuit te beschouwen -

Het circuit is een eenvoudige versterker met negatieve feedback die LM393 gebruikt. Deze op-amp heeft geen ingebouwde compensatiecondensator. We zullen het circuit in Pspice simuleren met een capacitieve belasting van 100 pF en zullen controleren hoe het zal presteren in laag- en hoogfrequent bedrijf.

Om dit te controleren, moet men de open-lusversterking en fasemarge van het circuit analyseren. Maar het is een beetje lastig voor de pspice, aangezien het simuleren van het exacte circuit, zoals hierboven weergegeven, de versterkingsfactor in de gesloten lus zal vertegenwoordigen. Daarom moeten speciale overwegingen worden genomen. De stap om het bovenstaande circuit om te zetten voor een open-lus versterkingssimulatie (versterking versus fase) in pspice wordt hieronder vermeld,

1. De ingang is geaard om de feedbackreactie te verkrijgen; closed-loop input naar output wordt genegeerd.
2. Het omkeren van input is opgesplitst in twee delen. Een daarvan is de spanningsdeler en een andere is de negatieve pool van de op-amp.
3. Twee delen worden hernoemd om twee afzonderlijke knooppunten en identificatiedoeleinden te creëren tijdens de simulatiefase. Spanningsdeler-sectie wordt hernoemd als feedback en de negatieve pool wordt hernoemd als Inv-input. (Inverterende input).
4. Deze twee kapotte knooppunten zijn verbonden met een 0V DC-spanningsbron. Dit wordt gedaan omdat, vanaf de gelijkspanningstermijn, beide knooppunten dezelfde spanning hebben die essentieel is voor de schakeling om te voldoen aan de huidige eis van het werkpunt.
5. De spanningsbron toevoegen met een 1V van de AC-stimulus. Dit dwingt het spanningsverschil van de twee individuele knooppunten om 1 te worden tijdens de AC-analyse. Een ding is in dit geval essentieel, dat de verhouding tussen de feedback en de inverterende ingang afhankelijk is van de open-lusversterking van de circuits.

Na het maken van de bovenstaande stappen ziet het circuit er als volgt uit:

Het circuit wordt gevoed met een voedingsrail van 15V +/-. Laten we het circuit simuleren en de output-bode-plot bekijken.

Omdat het circuit geen frequentiecompensatie heeft, vertoont de simulatie zoals verwacht een hoge versterking bij lage frequentie en een lage versterking bij hoge frequentie. Het vertoont ook een zeer slechte fasemarge. Laten we eens kijken wat de fase is bij een versterking van 0dB.

Zoals je kunt zien, zelfs bij een versterking van 0 dB of een crossover met eenheidsversterking, biedt de op-amp 6 graden faseverschuiving bij slechts een capacitieve belasting van slechts 100 pF.

Laten we nu het circuit improviseren door een frequentiecompensatieweerstand en condensator toe te voegen om freescompensatie over de op-amp te creëren en het resultaat te analyseren. Een 50 Ohm nulweerstand wordt over de op-amp geplaatst en de uitgang met een 100pF compensatiecondensator.

De simulatie is klaar en de curve ziet er als volgt uit,

De fasecurve is nu veel beter. De faseverschuiving bij een versterking van 0dB is bijna 45,5 graden. De stabiliteit van de versterker wordt sterk verhoogd met behulp van de frequentiecompensatietechniek. Daarom is bewezen dat de techniek van frequentiecompensatie ten zeerste wordt aanbevolen voor een betere stabiliteit van de op-map. Maar de bandbreedte zal afnemen.

Nu begrijpen we het belang van frequentiecompensatie van opamp en hoe we deze kunnen gebruiken in onze Op-Amp-ontwerpen om instabiliteitsproblemen te voorkomen. Ik hoop dat je het leuk vond om de tutorial te lezen en iets nuttigs hebt geleerd. Als je vragen hebt, laat ze dan achter op onze forums of in het commentaargedeelte hieronder.