Compensarea frecvenței op-amp și de ce este importantă în op

Amplificatoarele operaționale sau amplificatoarele operaționale sunt considerate ca calul de lucru al proiectelor electronice analogice. Înapoi din era computerelor analogice, Op-Amps au fost folosite pentru operații matematice cu tensiuni analogice, de unde și denumirea de amplificator operațional. Până în prezent, amplificatoarele opționale sunt utilizate pe scară largă pentru compararea tensiunii, diferențierea, integrarea, însumarea și multe alte lucruri. Inutil să spun că circuitele amplificatorului operațional sunt foarte ușor de implementat în scopuri diferite, dar are puține limitări care deseori duc la complexitate.

Provocarea majoră este îmbunătățirea stabilității unui amplificator operațional într-o lățime de bandă largă a aplicațiilor. Soluția este de a compensa amplificatorul în ceea ce privește răspunsul în frecvență, utilizând un circuit de compensare a frecvenței pe amplificatorul operațional. Stabilitatea unui amplificator depinde în mare măsură de diferiți parametri. În acest articol, să înțelegem importanța compensării frecvenței și cum să o utilizați în proiectele dvs.

Noțiuni de bază rapide despre amplificator op

Înainte de a intra direct în aplicația avansată a amplificatoarelor operaționale și a modului de stabilizare a amplificatorului utilizând tehnica de compensare a frecvenței, să explorăm câteva lucruri de bază despre amplificatorul operațional.

Un amplificator poate fi configurat ca configurație în buclă deschisă sau configurație în buclă închisă. Într-o configurație în buclă deschisă, nu există circuite de feedback asociate cu aceasta. Dar într-o configurație cu buclă închisă, amplificatorul are nevoie de feedback pentru a funcționa corect. Operaționalul poate avea feedback negativ sau feedback pozitiv. Dacă rețeaua de feedback analogică pe terminalul pozitiv al amplificatorului op-amplificator, se numește feedback pozitiv. În caz contrar, amplificatoarele cu feedback negativ au circuitele de feedback conectate la terminalul negativ.

De ce avem nevoie de compensarea frecvenței în amplificatoare op?

Să vedem circuitul amplificatorului de mai jos. Este un circuit negativ simplu, fără inversare, Op-Amp. Circuitul este conectat ca o configurație de urmărire unitate-câștig.

Circuitul de mai sus este foarte frecvent în electronică. După cum știm cu toții, amplificatoarele au o impedanță de intrare foarte mare la intrare și ar putea furniza o cantitate rezonabilă de curent la ieșire. Prin urmare, amplificatoarele operaționale pot fi acționate folosind semnale reduse pentru a conduce sarcini de curent mai mare.

Dar care este curentul maxim pe care l-ar putea furniza amplificatorul operațional pentru a conduce sarcina în siguranță? Circuitul de mai sus este suficient de bun pentru a conduce sarcini rezistive pure (sarcină rezistivă ideală), dar dacă conectăm o sarcină capacitivă la ieșire, amplificatorul opțional va deveni instabil și se va baza pe valoarea capacității de încărcare în cel mai rău caz chiar începe să oscileze.

Să explorăm de ce amplificatorul opțional devine instabil atunci când este conectată o sarcină capacitivă pe ieșire. Circuitul de mai sus poate fi descris ca o formulă simplă -

A _{cl =} A / 1 + Aß

A _cl este câștigul în buclă închisă. A este câștigul în buclă deschisă al amplificatorului.

Imaginea de mai sus este o reprezentare a formulei și a circuitului amplificatorului cu feedback negativ. Este exact identic cu amplificatorul negativ tradițional menționat anterior. Amândoi partajează intrarea AC pe terminalul pozitiv și ambii au același feedback în terminalul negativ. Cercul este joncțiunea de însumare are două intrări, una de la semnalul de intrare și a doua din circuitul de feedback. Ei bine, atunci când amplificatorul funcționează în modul de feedback negativ, tensiunea completă de ieșire a amplificatorului curge prin linia de feedback până la punctul de joncțiune de însumare. La joncțiunea de însumare, tensiunea de feedback și tensiunea de intrare sunt adăugate și alimentate înapoi în intrarea amplificatorului.

Imaginea este împărțită în două etape de câștig. În primul rând, arată circuit complet cu buclă închisă, deoarece aceasta este o rețea cu buclă închisă și, de asemenea , circuitul cu buclă deschisă a amplificatorilor op , deoarece amplificatorul op care arată A este un circuit deschis independent, feedback-ul nu este conectat direct.

Ieșirea joncțiunii de însumare este amplificată în continuare de câștigul în buclă deschisă a amplificatorului op. Prin urmare, dacă acest lucru complet este reprezentat ca o formațiune matematică, ieșirea pe joncțiunea de însumare este -

Vin - Voutß

Acest lucru funcționează excelent pentru a depăși problema instabilității. Rețeaua RC creează un pol la unitate sau câștig de 0 dB care domină sau anulează efectul altor poli de înaltă frecvență. Funcția de transfer a configurației polului dominant este -

În cazul în care, A (s) este funcția de transfer necompensată, A este câștigul în buclă deschisă, ώ1, ώ2 și ώ3 sunt frecvențele în care câștigul se desfășoară la -20dB, -40dB, -60dB respectiv. Graficul Bode de mai jos arată ce se întâmplă dacă se adaugă tehnica de compensare a polului dominant pe ieșirea op-amp, unde fd este frecvența polului dominant.

2. Compensația Miller

O altă tehnică eficientă de compensare este tehnica de compensare a morarului și este o tehnică de compensare în buclă în care se folosește un condensator simplu cu sau fără rezistor de izolare a sarcinii (rezistor de nulitate). Asta înseamnă că un condensator este conectat în bucla de feedback pentru a compensa răspunsul de frecvență al amplificatorului op.

Circuitul de compensare Miller este prezentat mai jos. În această tehnică, un condensator este conectat la feedback cu un rezistor pe ieșire.

Circuitul este un amplificator simplu cu feedback negativ cu câștig inversat dependent de R1 și R2. R3 este rezistența nulă și CL este sarcina capacitivă pe ieșirea op-amp. CF este condensatorul de feedback care este utilizat în scopuri de compensare. Condensatorul și valoarea rezistenței depind de tipul etapelor amplificatorului, de compensarea polului și de sarcina capacitivă.

Tehnici de compensare a frecvenței interne

Amplificatoarele operaționale moderne au tehnică de compensare internă. În tehnica de compensare internă, un condensator de feedback mic este conectat în interiorul op-amp IC între tranzistorul emițător comun al celui de-al doilea stadiu. De exemplu, imaginea de mai jos este diagrama internă a popularului op-amp LM358.

Condensatorul Cc este conectat pe Q5 și Q10. Este condensatorul de compensare (Cc). Acest condensator de compensare îmbunătățește stabilitatea amplificatorului și, de asemenea, previne efectul de oscilație și sonerie pe ieșire.

Compensarea în frecvență a amplificatorului de operare - Simulare practică

Pentru a înțelege mai practic compensarea frecvenței, să încercăm să o simulăm luând în considerare circuitul de mai jos -

Circuitul este un amplificator simplu cu feedback negativ care utilizează LM393. Acest op-amp nu are condensator de compensare încorporat. Vom simula circuitul în Pspice cu o sarcină capacitivă de 100pF și vom verifica cum va funcționa în funcționarea cu frecvență joasă și înaltă.

Pentru a verifica acest lucru, trebuie analizat câștigul în buclă deschisă și marja de fază a circuitului. Dar este un pic dificil pentru pspice, deoarece simularea circuitului exact, așa cum se arată mai sus, va reprezenta câștigul său în buclă închisă. Prin urmare, trebuie luate considerații speciale. Pasul pentru a converti circuitul de mai sus pentru simularea câștigului în buclă deschisă (câștig vs fază) în pspice este prezentat mai jos,

1. Intrarea este împământată pentru a obține răspunsul de feedback; intrarea în buclă închisă la ieșire este ignorată.
2. Intrarea inversă este împărțită în două părți. Unul este divizorul de tensiune și altul este terminalul negativ al amplificatorului op.
3. Două părți sunt redenumite pentru a crea două noduri separate și scopuri de identificare în timpul fazei de simulare. Secțiunea divizorului de tensiune este redenumită ca feedback și terminalul negativ este redenumit ca Inv-input. (Inversarea intrării).
4. Aceste două noduri rupte sunt conectate cu o sursă de tensiune 0V DC. Acest lucru se face deoarece, de la termenul de tensiune continuă, ambele noduri au aceeași tensiune, care este esențială pentru ca circuitul să satisfacă cerința curentă a punctului de funcționare.
5. Adăugarea sursei de tensiune cu 1V de stimul AC. Aceasta forțează diferența de tensiune a celor două noduri individuale să devină 1 în timpul analizei de curent alternativ. Un lucru este esențial în acest caz, că raportul dintre feedback și intrarea inversă este de încredere în câștigul circuitului deschis.

După ce ați făcut pașii de mai sus, circuitul arată astfel -

Circuitul este alimentat utilizând șina de alimentare de 15V +/-. Să simulăm circuitul și să verificăm graficul său de ieșire.

Deoarece circuitul nu are compensare de frecvență, așa cum era de așteptat, simularea arată un câștig ridicat la frecvență joasă și câștig scăzut la frecvență înaltă. De asemenea, arată o marjă de fază foarte slabă. Să vedem care este faza cu 0dB câștig.

După cum puteți vedea, chiar și la creșterea 0dB sau la creșterea unității, amplificatorul operațional oferă 6 grade de schimbare de fază la doar o sarcină capacitivă de 100pF.

Acum, să improvizăm circuitul adăugând un rezistor de compensare a frecvenței și un condensator pentru a crea compensarea frezei pe amplificatorul op și să analizăm rezultatul. Un rezistor de 50 Ohmi nul este plasat pe amplificatorul opțional și pe ieșire cu un condensator de compensare 100pF.

Simularea este terminată și curba arată ca cea de mai jos,

Curba de fază este mult mai bună acum. Schimbarea fazei la 0dB câștig este de aproape 45,5 grade. Stabilitatea amplificatorului este foarte crescută folosind tehnica de compensare a frecvenței. Prin urmare, este dovedit că tehnica de compensare a frecvenței este foarte recomandată pentru o mai bună stabilitate a op-map. Dar lățimea de bandă va scădea.

Acum înțelegem importanța compensării de frecvență a opamp-ului și cum să-l folosim în proiectele noastre Op-Amp pentru a evita problemele de instabilitate. Sper că v-a plăcut să citiți tutorialul și ați învățat ceva util. Dacă aveți întrebări, lăsați-le în forumurile noastre sau în secțiunea de comentarii de mai jos.