- Hitre osnove o op-amp
- Zakaj potrebujemo kompenzacijo frekvence v op-amperih?
- Tehnike kompenzacije notranje frekvence
- Frekvenčna kompenzacija op-amp - Praktična simulacija
Operacijski ojačevalniki ali op-ojačevalci so delovni konj analognih elektronskih modelov. Nazaj iz obdobja analognih računalnikov so Op-ampere uporabljali za matematične operacije z analognimi napetostmi, od tod tudi ime operacijski ojačevalnik. Do danes se op-ojačevalniki pogosto uporabljajo za primerjavo napetosti, diferenciacijo, integracijo, seštevanje in številne druge stvari. Ni treba posebej poudarjati, da so vezja operacijskega ojačevalnika zelo enostavna za različne namene, vendar ima malo omejitev, ki pogosto vodijo do zapletenosti.
Glavni izziv je izboljšati stabilnost op-amp- a v široki pasovni širini aplikacij. Rešitev je kompenzacija ojačevalnika glede na frekvenčni odziv z uporabo vezja za frekvenčno kompenzacijo prek operacijskega ojačevalnika. Stabilnost ojačevalnika je zelo odvisna od različnih parametrov. V tem članku naj razumemo pomen frekvenčne kompenzacije in kako jo uporabiti v svojih načrtih.
Hitre osnove o op-amp
Preden gremo naravnost v predhodno uporabo operacijskih ojačevalnikov in kako stabilizirati ojačevalnik s tehniko frekvenčne kompenzacije, raziščimo nekaj osnovnih stvari o operacijskem ojačevalniku.
Ojačevalnik je mogoče konfigurirati kot konfiguracijo z odprto zanko ali konfiguracijo z zaprto zanko. V konfiguraciji z odprto zanko z njo niso povezana nobena povratna vezja. Toda v konfiguraciji z zaprto zanko ojačevalnik potrebuje povratne informacije za pravilno delovanje. Operacijski lahko ima negativne povratne informacije ali pozitivne povratne informacije. Če je mreža povratnih informacij analogna prek pozitivnega terminala op-amp-a, se to imenuje pozitivna povratna informacija. V nasprotnem primeru imajo ojačevalniki z negativnimi povratnimi informacijami povratno vezje, povezano prek negativnega terminala.
Zakaj potrebujemo kompenzacijo frekvence v op-amperih?
Poglejmo spodnje ojačevalno vezje. To je preprosto neinvertirajoče vezje Op-Amp z negativnimi povratnimi informacijami. Vezje je povezano kot enojna ojačevalec.
Zgornje vezje je zelo pogosto v elektroniki. Kot vsi vemo, imajo ojačevalniki zelo visoko vhodno impedanco čez vhod in bi lahko zagotovili primerno količino toka na izhodu. Zato lahko operacijske ojačevalnike poganjamo z nizkimi signali za pogon obremenitev z večjim tokom.
Toda kakšen je največji tok, ki ga lahko op-ojačevalnik odda za varno vožnjo tovora? Zgornje vezje je dovolj dobro, da poganja čisto uporovne obremenitve (idealna uporovna obremenitev), če pa na izhod priključimo kapacitivno obremenitev, bo op-ojačevalnik postal nestabilen in na podlagi vrednosti nosilne kapacitivnosti bi v najslabšem primeru lahko celo začeli nihati.
Raziščimo, zakaj op-amp postane nestabilen, ko je na izhod priključena kapacitivna obremenitev. Zgornje vezje lahko opišemo kot preprosto formulo -
A cl = A / 1 + Aß
Cl je zaprto zanko dobiček. A je ojačanje ojačevalnika z odprto zanko. The
Zgornja slika je prikaz formule in vezja ojačevalnika z negativnimi povratnimi informacijami. Popolnoma enak je tradicionalnemu negativnemu ojačevalniku, ki smo ga prej navedli. Oba si delita izmenični vhod na pozitivnem terminalu in oba imata enake povratne informacije na negativnem terminalu. Krog je seštevalni spoj ima dva vhoda, enega iz vhodnega signala in drugega iz povratnega vezja. No, ko ojačevalnik deluje v načinu negativne povratne informacije, celotna izhodna napetost ojačevalnika teče skozi povratno črto do točke seštevanja. Na seštevalnem križišču se povratna napetost in vhodna napetost seštevata in napajata nazaj v vhod ojačevalnika.
Slika je razdeljena na dve stopnji ojačanja. Prvič, prikazuje celotno vezje z zaprto zanko, saj je to omrežje z zaprto zanko in tudi vezje z odprto zanko op-ojačevalnikov, ker je op-amp, ki prikazuje A, samostojno odprto vezje, povratne informacije niso neposredno povezane.
Izhod seštevalnega križišča se še poveča z ojačanjem odprte zanke op-amp. Torej, če je ta popolna stvar predstavljena kot matematična tvorba, je rezultat v seštevalnem križišču -
Vin - Voutß
To odlično deluje pri premagovanju težave z nestabilnostjo. Omrežje RC ustvari pol pri enotnosti ali ojačanju 0dB, ki prevladuje ali izniči učinek drugih visokofrekvenčnih polov. Prenosna funkcija dominantne konfiguracije pola je -
Kjer je A (s) nekompenzirana prenosna funkcija, je A ojačanje odprte zanke, ώ1, ώ2 in ώ3 so frekvence, pri katerih se ojačanje ojača pri -20dB, -40dB, -60dB. Spodnja ploskev Bode prikazuje, kaj se zgodi, če dodamo tehniko kompenzacije dominantnega pola na izhod op-amp, kjer je fd dominantna frekvenca pola.
2. Millerjeva odškodnina
Druga učinkovita kompenzacijska tehnika je kompenzacijska tehnika Millerja in gre za kompenzacijsko tehniko v zanki, pri kateri se uporablja preprost kondenzator z uporom ali brez njega (izolirni upor). To pomeni, da je kondenzator priključen v povratno zanko, da kompenzira frekvenčni odziv op-amp.
Miller nadomestilo vezje je prikazano spodaj. Pri tej tehniki je kondenzator povezan z povratno informacijo z uporom preko izhoda.
Vezje je preprost ojačevalnik z negativnimi povratnimi informacijami z obrnjenim ojačanjem, odvisno od R1 in R2. R3 je ničelni upor, CL pa kapacitivna obremenitev na izhodu op-amp. CF je povratni kondenzator, ki se uporablja za kompenzacijo. Vrednost kondenzatorja in upora je odvisna od vrste ojačevalnih stopenj, kompenzacije pola in kapacitivne obremenitve.
Tehnike kompenzacije notranje frekvence
Sodobni operacijski ojačevalniki imajo notranjo tehniko kompenzacije. Pri notranji kompenzacijski tehniki je majhen povratni kondenzator priključen znotraj IC ojačevalnika med tranzistorjem skupnega oddajnika druge stopnje. Na spodnji sliki je na primer notranji diagram priljubljenega ojačevalnika LM358.
Kondenzator Cc je povezan prek Q5 in Q10. Je kompenzacijski kondenzator (Cc). Ta kompenzacijski kondenzator izboljša stabilnost ojačevalnika in preprečuje nihanje in zvonjenje na izhodu.
Frekvenčna kompenzacija op-amp - Praktična simulacija
Da bi frekvenčno kompenzacijo razumeli bolj praktično, jo poskusimo simulirati z upoštevanjem spodnjega vezja
Vezje je preprost ojačevalnik z negativnimi povratnimi informacijami, ki uporablja LM393. Ta op-amp nima vgrajenega kompenzacijskega kondenzatorja. V Pspice bomo simulirali vezje s 100 pF kapacitivne obremenitve in preverili, kako bo delovalo pri nizko in visokofrekvenčnem delovanju.
Če želite to preveriti, je treba analizirati ojačanje odprte zanke in fazno mejo vezja. Toda za pspice je nekoliko zapleteno, saj bo simulacija natančnega vezja, kot je prikazano zgoraj, predstavljalo njegov dobiček v zaprti zanki. Zato je treba biti posebej pozoren. Korak za pretvorbo zgornjega vezja za simulacijo ojačanja z odprto zanko (dobitev proti fazi) v pspice je naveden spodaj,
- Vhod je ozemljen, da dobimo povratni odziv; zaprti vhod v izhod se prezre.
- Invertiranje vhodnih podatkov je razdeljeno na dva dela. Eden je delilnik napetosti, drugi pa negativni priključek op-amp.
- Dva dela se preimenujeta tako, da se med fazo simulacije ustvari dve ločeni vozlišči in namen identifikacije. Odsek napetostnega delilnika se preimenuje v povratno informacijo, negativni priključek pa v Inv-input. (Invertiranje vhoda).
- Ti dve zlomljeni vozlišči sta povezani z 0V enosmernim napetostnim virom. To se naredi, ker imata obe vozli od izraza enosmerne napetosti enako napetost, kar je bistveno za to, da vezje izpolni trenutno zahtevo delovne točke.
- Dodajanje napetostnega vira z 1 V AC dražljaja. To prisili dve napetosti razlike med posameznimi vozlišči med analizo izmeničnega toka na 1. V tem primeru je bistvenega pomena, da je razmerje med povratnimi informacijami in invertirnim vhodom odvisno od dobička v odprti zanki vezij.
Po zgornjih korakih je vezje videti takole -
Vezje se napaja s pomočjo 15V +/- napajalne tirnice. Simulirajmo vezje in preverimo njegovo izhodno krivuljo.
Ker vezje nima frekvenčne kompenzacije, pričakuje, da simulacija kaže visok dobiček pri nizki frekvenci in nizek dobiček pri visoki frekvenci. Kaže tudi zelo slabo fazno mejo. Poglejmo, kakšna je faza pri ojačanju 0dB.
Kot lahko vidite tudi pri navzkrižnem ojačanju 0dB ali enotnosti, op-amp zagotavlja 6 stopinj faznega premika pri samo 100pF kapacitivni obremenitvi.
Zdaj pa improvizirajmo vezje tako, da dodamo frekvenčno kompenzacijski upor in kondenzator, da ustvarimo kompenzacijo mlinarjev v celotnem op-amp in analiziramo rezultat. Preko optičnega ojačevalnika in izhoda je nameščen 50 ohmov ničelnega upora z izravnalnim kondenzatorjem 100pF.
Simulacija je narejena in krivulja je videti kot spodaj,
Fazna krivulja je zdaj veliko boljša. Fazni premik pri ojačanju 0dB je skoraj 45,5 stopinj. Stabilnost ojačevalnika se močno poveča s tehniko frekvenčne kompenzacije. Zato je dokazano, da je tehnika kompenzacije frekvence zelo priporočljiva za boljšo stabilnost op-karte. Toda pasovna širina se bo zmanjšala.
Zdaj razumemo, kako pomembna je frekvenčna kompenzacija opampa in kako ga uporabiti v naših napravah Op-Amp, da se izognemo težavam z nestabilnostjo. Upam, da ste uživali v branju vadnice in se naučili kaj koristnega. Če imate kakršna koli vprašanja, jih pustite na naših forumih ali v oddelku za komentarje spodaj.