Фреквенцијска компензација оп амп-а и зашто је то важно у вашем оперативном раду

Оперативна појачала или оп-појачала сматрају се радном снагом аналогних електронских дизајна. Повратак из ере аналогних рачунара, Оп-појачала су коришћена за математичке операције са аналогним напонима, па отуда и назив оперативно појачало. До данас Оп-појачала се широко користе за упоређивање напона, диференцијацију, интеграцију, сумирање и многе друге ствари. Непотребно је рећи да су кола оперативног појачала врло једноставна за примену у различите сврхе, али има мало ограничења која често доводе до сложености.

Главни изазов је побољшати стабилност оптичког појачала у широком опсегу апликација. Решење је компензација појачала у смислу фреквенцијског одзива, коришћењем кола за компензацију фреквенције преко оперативног појачала. Стабилност појачала веома зависи од различитих параметара. У овом чланку схватимо важност фреквенцијске компензације и како је користити у својим дизајном.

Кратке основе оп-ампера

Пре него што кренемо директно у напредну примену оперативних појачала и како стабилизовати појачало техником компензације фреквенције, истражимо неколико основних ствари о оперативном појачивачу.

Појачало се може конфигурисати као конфигурација отворене петље или конфигурација затворене петље. У конфигурацији са отвореном петљом, са њом нису повезани кругови повратних информација. Али у конфигурацији затворене петље, појачалу су потребне повратне информације да би исправно радио. Оперативни може имати негативне повратне информације или позитивне повратне информације. Ако је мрежа повратне спреге аналогна преко позитивног терминала оп-амп-а, то се назива позитивна повратна спрега. Иначе, појачала са негативном повратном спрегом имају склоп повратне спреге повезан преко негативног терминала.

Зашто нам је потребна компензација фреквенције у оп-амперима?

Погледајмо доњи круг појачала. То је једноставно негативно повратно неинвертујуће Оп-Амп коло. Коло је повезано као конфигурација следбеника са јединственим добитком.

Горње коло је врло често у електроници. Као што сви знамо, појачала имају врло високу улазну импедансу преко улаза и могу пружити разумну количину струје преко излаза. Стога се оперативни појачавачи могу покретати помоћу ниских сигнала за погон оптерећења веће струје.

Али која је максимална струја коју оп-појачало може да испоручи за безбедан погон терета? Горњи круг је довољно добар да покреће чисто отпорно оптерећење (идеално отпорно оптерећење), али ако повежемо капацитивно оптерећење преко излаза, опцијско појачало ће постати нестабилно и на основу вредности капацитивног оптерећења у најгорем случају може доћи до појачавања чак почињу да осцилирају.

Истражимо зашто оп-појачало постаје нестабилно када се преко излаза повеже капацитивно оптерећење. Горње коло се може описати као једноставна формула -

А _{цл =} А / 1 + Аß

_ЦЛ је затворена петља добитак. А је појачање отворене петље појачала. Тхе

Горња слика је приказ формуле и кола појачала негативне повратне спреге. Потпуно је идентичан традиционалном негативном појачалу претходно наведеном. Обоје деле АЦ улаз на позитивном терминалу, а обојица имају исте повратне информације на негативном терминалу. Кружница је збирни спој који има два улаза, један из улазног сигнала, а други из повратног круга. Па, када појачало ради у режиму негативне повратне спреге, комплетан излазни напон појачала тече кроз повратну линију до тачке сабирања. На споју сабирања, повратни напон и улазни напон се сабирају и враћају назад на улаз појачала.

Слика је подељена у две фазе појачања. Прво, приказује комплетно коло затворене петље, јер је ово мрежа затворене петље, а такође и круг отворене петље оп-појачала, јер је оп-појачало А које је приказано као самостално отворено коло, повратне информације нису директно повезане.

Излаз сабирног споја је даље појачан појачавањем оп-амп отворене петље. Према томе, ако је ова комплетна ствар представљена као математичка формација, излаз преко збира сабирања је -

Вин - Воутß

Ово одлично делује како би се превазишло питање нестабилности. РЦ мрежа ствара пол при јединици или 0дБ појачања који доминира или поништава друге ефекте полова високе фреквенције. Преносна функција доминантне конфигурације пола је -

Где је А (с) некомпензована преносна функција, А је појачање отворене петље, ω1, ω2, а ω3 су фреквенције где се појачање појачава на -20дБ, -40дБ, -60дБ. Доња Бодеова табла показује шта се дешава ако се техника изравнавања доминантног пола дода на оптички излаз, где је фд доминантна фреквенција пола.

2. Миллерова надокнада

Следећа ефикасна техника компензације је Миллерова техника компензације и то је техника компензације у петљи где се користи једноставни кондензатор са или без отпорника за изолацију оптерећења (Нулти отпор). То значи да је кондензатор повезан у повратну петљу ради компензације фреквенцијског одзива оп-појачала.

Миллер компензација коло је приказан испод. У овој техници, кондензатор је повезан са повратном спрегом отпорником преко излаза.

Коло је једноставно појачало са негативном повратном спрегом са инвертујућим појачавањем у зависности од Р1 и Р2. Р3 је нулти отпор, а ЦЛ је капацитивно оптерећење на оптичком излазу. ЦФ је повратни кондензатор који се користи у сврху компензације. Кондензатор и вредност отпорника зависе од врсте степена појачала, компензације пола и капацитивног оптерећења.

Технике интерне компензације фреквенција

Савремена операциона појачала имају унутрашњу технику компензације. У техници унутрашње компензације, мали кондензатор са повратном спрегом повезан је унутар оптичког појачала ИЦ између транзистора заједничког емитора другог степена. На пример, доња слика је интерни дијаграм популарног оптичког појачала ЛМ358.

Кондензатор ЦЦ је повезан преко К5 и К10. То је компензациони кондензатор (Цц). Овај компензациони кондензатор побољшава стабилност појачала, као и спречава ефекат осцилације и звона на излазу.

Компензација фреквенције оп-ампера - Практична симулација

Да бисмо практичније разумели фреквенцијску компензацију, покушајмо да је симулирамо узимајући у обзир доњи круг -

Коло је једноставно појачало са негативном повратном спрегом помоћу ЛМ393. Овај опцијски појачавач нема уграђен компензациони кондензатор. Ми ћемо симулирати склоп у пспице са 100пФ капацитивна оптерећења и да ће проверавати како ће наступити у ниске и високе фреквенције рада.

Да би се то проверило, потребно је анализирати појачање отворене петље и фазну маргину кола. Али то је помало незгодно за пспице, јер ће симулација тачног кола, као што је приказано горе, представљати његов добитак у затвореној петљи. Стога треба узети у обзир посебна разматрања. Корак до конверзије горњег кола за симулацију појачања отворене петље (добитак у односу на фазу) у пспице наведен је у наставку,

1. Улаз је утемељен да би се добио повратни одговор; затворени круг улаз за излаз се занемарује.
2. Инвертујући улаз је подељен на два дела. Један је делилац напона, а други негативни прикључак оп-појачала.
3. Два дела су преименована да би се створила два одвојена чвора и сврхе идентификације током фазе симулације. Одјељак с раздјелником напона преименован је у повратну везу, а негативни терминал у Инв-улаз. (Инвертовање улаза).
4. Ова два сломљена чвора су повезана са извором једносмерног напона од 0В. То је учињено јер, од термина једносмерног напона, оба чвора имају исти напон што је неопходно за коло да задовољи тренутни захтев радне тачке.
5. Додавање извора напона са 1В АЦ стимулуса. То приморава да разлика напона два појединачна чвора постане 1 током анализе наизменичне струје. У овом случају је од суштинске важности да однос повратне спреге и инвертујућег улаза зависи од појачања отворене петље у круговима.

Након извршења горњих корака, коло изгледа овако -

Коло се напаја помоћу 15В +/- шине за напајање. Хајде да симулирамо коло и проверимо његову излазну графу.

С обзиром да коло нема фреквенцијску компензацију, како се и очекивало, симулација показује велико појачање на ниској фреквенцији и ниско појачање на високој фреквенцији. Такође, показује врло лошу маргину фазе. Погледајмо која је фаза при добитку од 0дБ.

Као што видите чак и при укрштању од 0 дБ или прелазу са појачањем јединице, оп-појачало пружа 6 степени фазног помака при само 100 пФ капацитивног оптерећења.

Хајде сада да импровизујемо коло додавањем отпорника за компензацију фреквенције и кондензатора како бисмо креирали Миллерову компензацију преко оптичког појачала и анализирали резултат. Нул отпорник од 50 ома постављен је преко оптичког појачала и излаза са компензационим кондензатором од 100 пФ.

Симулација је готова и крива изгледа као доле,

Фазна крива је сада много боља. Фазни помак при појачању од 0дБ је скоро 45,5 степени. Стабилност појачала је веома повећана техником компензације фреквенције. Стога је доказано да се техника компензације фреквенције топло препоручује за бољу стабилност оп-мапе. Али пропусни опсег ће се смањити.

Сада схватамо важност фреквенцијске компензације опампа и како га користити у нашим дизајнерима Оп-Амп како би се избегли проблеми са нестабилношћу. Надам се да сте уживали читајући туториал и научили нешто корисно. Ако имате питања, оставите их на нашим форумима или у одељку за коментаре испод.