Frekvenskompensering av op-amp och varför det är viktigt i din op

Operationsförstärkare eller op-förstärkare betraktas som arbetshäst för Analog Electronic Designs. Tillbaka från tiden för analoga datorer har Op-Amps använts för matematiska operationer med analoga spänningar, därav namnet operationsförstärkare. Till datum används Op-Amps i stor utsträckning för spänningsjämförelse, differentiering, integration, summering och många andra saker. Det behöver inte sägas att de operativa förstärkarkretsarna är mycket enkla att implementera för olika ändamål, men det har få begränsningar som ofta leder till komplexitet.

Den största utmaningen är att förbättra en op-förstärkares stabilitet i en bred applikationsbredd. Lösningen är att kompensera förstärkaren i termer av frekvenssvar genom att använda en frekvenskompenseringskrets över operationsförstärkaren. En förstärkares stabilitet är starkt beroende av olika parametrar. I den här artikeln ska vi förstå vikten av frekvenskompensation och hur du använder den i dina mönster.

Snabba grunder på Op-Amp

Innan vi går direkt in i förvägstillämpningen av operationsförstärkare och hur man stabiliserar förstärkaren med hjälp av frekvenskompenseringsteknik, låt oss utforska några grundläggande saker om operationsförstärkaren.

En förstärkare kan konfigureras som en konfiguration med öppen slinga eller som en sluten slinga. I en konfiguration med öppen slinga finns inga återkopplingskretsar kopplade till den. Men i en sluten konfiguration behöver förstärkaren återkoppling för att fungera korrekt. Den operativa kan ha negativ feedback eller positiv feedback. Om feedbacknätverksanalogen över op-förstärkarens positiva terminal kallas det positiv feedback. Annars har negativa återkopplingsförstärkare återkopplingskretsarna anslutna över negativa terminaler.

Varför behöver vi frekvenskompensation i op-förstärkare?

Låt oss se nedanförstärkarkretsen. Det är en enkel negativ återkoppling, icke-inverterande Op-Amp-krets. Kretsen är ansluten som en enhetsförstärkarföljarkonfiguration.

Ovanstående krets är mycket vanligt inom elektronik. Som vi alla vet har förstärkare mycket hög ingångsimpedans över ingången och kan ge en rimlig mängd ström över utgången. Därför kan operationsförstärkare drivas med låga signaler för att driva belastningar med högre ström.

Men vad är den maximala strömmen som op-amp kan leverera för att köra lasten säkert? Ovanstående krets är tillräckligt bra för att driva rena resistiva belastningar (idealisk resistiv belastning) men om vi ansluter en kapacitiv belastning över utgången kommer op-förstärkaren att bli instabil och baserat på värdet på lastkapacitansen i värsta fall kan op-amp till och med börja svänga.

Låt oss undersöka varför op-förstärkaren blir instabil när en kapacitiv belastning ansluts över utgången. Ovanstående krets kan beskrivas som en enkel formel -

A _{cl =} A / 1 + Aß

En _cl är förstärkningen med sluten slinga. A är förstärkaren med öppen slinga. De

Ovanstående bild visar en formel och en negativ återkopplingsförstärkarkrets. Det är exakt identiskt med den traditionella negativa förstärkaren som tidigare angivits. De delar båda AC-ingången på den positiva terminalen och båda har samma feedback i den negativa terminalen. Cirkeln är summeringskorsningen har två ingångar, en från insignalen och den andra från återkopplingskretsen. Tja, när förstärkaren arbetar i negativt återkopplingsläge, strömmar förstärkarens hela utspänning genom återkopplingsledningen till summeringspunkten. Vid summeringskorsningen adderas återkopplingsspänningen och ingångsspänningen och matas tillbaka till förstärkarens ingång.

Bilden är uppdelad i två förstärkningssteg. För det första visar den en fullständig krets med sluten slinga eftersom detta är ett nät med sluten slinga och även kretsen med op-förstärkare med öppen slinga eftersom op-förstärkaren som visar A är en fristående öppen krets, återkopplingen är inte direkt ansluten.

Utgången från summeringskorsningen förstärks ytterligare av op-amp öppen slingförstärkning. Därför, om denna kompletta sak representeras som en matematisk formation, är utgången över summeringskorsningen -

Vin - Voutß

Detta fungerar bra för att övervinna instabilitetsproblemet. RC-nätverket skapar en pol vid enhet eller 0 dB förstärkning som dominerar eller avbryter andra högfrekventa poleffekter. Överföringsfunktionen för den dominerande polkonfigurationen är -

Där A (s) är den okompenserade överföringsfunktionen, är A öppen slingförstärkning, ώ1, ώ2 och ώ3 är frekvenserna där förstärkningen avrundas vid -20dB, -40dB respektive -60dB. Den Bode plot nedan visar vad som händer om den dominerande polen kompensationsteknik tillsättes över op-amp utgång, där fd är den dominerande polen frekvens.

2. Miller ersättning

En annan effektiv kompensationsteknik är kompenseringstekniken för kvarn och det är en kompensationsteknik i loop där en enkel kondensator används med eller utan belastningsisoleringsmotstånd (Nulling resistor). Det betyder att en kondensator är ansluten i återkopplingsslingan för att kompensera op-amp frekvenssvaret.

Den miller kompensationskrets visas nedan. I denna teknik är en kondensator ansluten till återkopplingen med ett motstånd över utgången.

Kretsen är en enkel negativ återkopplingsförstärkare med inverterande förstärkning beroende på R1 och R2. R3 är nollmotståndet och CL är den kapacitiva belastningen över op-amp-utgången. CF är återkopplingskondensatorn som används för kompensationsändamål. Kondensatorn och motståndsvärdet beror på typen av förstärkarsteg, polkompensation och kapacitiv belastning.

Interna frekvenskompensationstekniker

Moderna operationsförstärkare har intern kompensationsteknik. I den interna kompensationstekniken är en liten återkopplingskondensator ansluten inuti op-amp IC mellan de andra stegen Common emitter transistor. Till exempel är bilden nedan det interna diagrammet för populär op-amp LM358.

Cc-kondensatorn är ansluten över Q5 och Q10. Det är kompensationskondensatorn (Cc). Denna kompenseringskondensator förbättrar förstärkarens stabilitet och förhindrar oscillation och ringeffekt över utgången.

Frekvenskompensation av Op-amp - Praktisk simulering

För att förstå frekvenskompensering mer praktiskt, låt oss försöka simulera den genom att överväga nedanstående krets -

Kretsen är en enkel negativ återkopplingsförstärkare som använder LM393. Denna op-amp har ingen inbyggd kompensationskondensator. Vi kommer att simulera kretsen i Pspice med en 100 pF kapacitiv belastning och kommer att kontrollera hur den kommer att fungera vid låg- och högfrekvent drift.

För att kontrollera detta måste man analysera kretsens öppningsförstärkning och fasmarginal. Men det är lite knepigt för pspice eftersom simulering av den exakta kretsen, som visas ovan, kommer att representera dess slutna kretsförstärkning. Därför måste särskilda överväganden tas. Steget för att konvertera ovanstående krets för öppen slingförstärkningssimulering (förstärkning mot fas) i pspice anges nedan,

1. Ingången är jordad för att få återkopplingssvaret; sluten slinga ingång till utgång ignoreras.
2. Inverterande ingång är uppdelad i två delar. En är spänningsdelaren och en annan är den negativa terminalen på op-amp.
3. Två delar döps om för att skapa två separata noder och identifieringsändamål under simuleringsfasen. Spänningsdelarens namn byts om som återkoppling och den negativa terminalen byts om till Inv-ingång. (Inverterande ingång).
4. Dessa två trasiga noder är anslutna till en 0V likspänningskälla. Detta görs eftersom, från termen DC-spänning, båda noderna har samma spänning som är väsentlig för att kretsen ska uppfylla det aktuella kravet på arbetspunkten.
5. Lägga till spänningskällan med en 1V AC-stimulans. Detta tvingar de två enskilda nodspänningsskillnaderna att bli 1 under växelströmsanalysen. En sak är väsentlig i det här fallet, att förhållandet mellan återkopplingen och den inverterande ingången är beroende av kretsens öppen slingförstärkning.

Efter att ha gjort ovanstående steg ser kretsen ut så här -

Kretsen drivs med 15V +/- strömförsörjningsskena. Låt oss simulera kretsen och kontrollera dess utgångs-bode-plot.

Eftersom kretsen inte har någon frekvenskompensation visar simuleringen som förväntat hög förstärkning vid låg frekvens och låg förstärkning vid hög frekvens. Det visar också mycket dålig fasmarginal. Låt oss se vad som är fasen vid 0 dB förstärkning.

Som du kan se även vid 0 dB förstärkning eller enhetsförstärkningsövergång, ger op-förstärkaren 6 graders fasförskjutning med bara 100 pF kapacitiv belastning.

Låt oss nu improvisera kretsen genom att lägga till ett frekvenskompensationsmotstånd och kondensator för att skapa millerkompensation över op-amp och analysera resultatet. Ett nollmotstånd på 50 ohm placeras över op-amp och utgången med en 100pF kompenseringskondensator.

Simuleringen är klar och kurvan ser ut som nedan,

Faskurvan är mycket bättre nu. Fasförskjutningen vid 0 dB förstärkning är nästan 45,5 grader. Förstärkarstabiliteten ökar kraftigt med hjälp av frekvenskompenseringstekniken. Därför är det bevisat att frekvenskompensationstekniken rekommenderas för bättre stabilitet hos op-kartan. Men bandbredden kommer att minska.

Nu förstår vi vikten av frekvenskompensering av opamp och hur man använder den i våra Op-Amp-mönster för att undvika instabilitetsproblem. Hoppas att du tyckte om att läsa handledningen och lärt dig något användbart. Om du har några frågor lämnar du dem i vårt forum eller i kommentarfältet nedan.