Αντιστάθμιση συχνότητας του op-amp και γιατί είναι σημαντικό στο op σας

Οι λειτουργικοί ενισχυτές ή τα Op-Amps θεωρούνται ως το άλογο εργασίας των αναλογικών ηλεκτρονικών σχεδίων. Πίσω από την εποχή των αναλογικών υπολογιστών, το Op-Amps έχει χρησιμοποιηθεί για μαθηματικές λειτουργίες με αναλογικές τάσεις εξ ου και το όνομα λειτουργικός ενισχυτής. Μέχρι σήμερα τα Op-Amps χρησιμοποιούνται εκτενώς για σύγκριση τάσης, διαφοροποίηση, ενσωμάτωση, άθροισμα και πολλά άλλα πράγματα. Περιττό να πούμε ότι τα κυκλώματα λειτουργικού ενισχυτή είναι πολύ εύκολο να εφαρμοστούν για διαφορετικούς σκοπούς, αλλά έχει λίγους περιορισμούς που συχνά οδηγούν σε πολυπλοκότητα.

Η κύρια πρόκληση είναι η βελτίωση της σταθερότητας ενός op-amp σε ένα ευρύ εύρος ζώνης εφαρμογών. Η λύση είναι να αντισταθμιστεί ο ενισχυτής από την άποψη της απόκρισης συχνότητας, χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα αντιστάθμισης συχνότητας κατά μήκος του λειτουργικού ενισχυτή. Η σταθερότητα ενός ενισχυτή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από διαφορετικές παραμέτρους. Σε αυτό το άρθρο ας κατανοήσουμε τη σημασία της αντιστάθμισης συχνότητας και πώς να τη χρησιμοποιήσετε στα σχέδιά σας.

Γρήγορα βασικά στο Op-Amp

Πριν προχωρήσετε κατευθείαν στην εφαρμογή των λειτουργικών ενισχυτών και πώς να σταθεροποιήσετε τον ενισχυτή χρησιμοποιώντας την τεχνική αντιστάθμισης συχνότητας, ας διερευνήσουμε μερικά βασικά πράγματα σχετικά με τον λειτουργικό ενισχυτή.

Ένας ενισχυτής μπορεί να διαμορφωθεί ως διαμόρφωση ανοιχτού βρόχου ή διαμόρφωση κλειστού βρόχου. Σε μια διαμόρφωση ανοιχτού βρόχου, δεν υπάρχουν κυκλώματα ανατροφοδότησης που να σχετίζονται με αυτό. Αλλά σε μια διαμόρφωση κλειστού βρόχου, ο ενισχυτής χρειάζεται ανατροφοδότηση για να λειτουργήσει σωστά. Το λειτουργικό μπορεί να έχει αρνητικά σχόλια ή θετικά σχόλια. Εάν το αναλογικό δίκτυο ανάδρασης στο θετικό τερματικό του op-amp, ονομάζεται θετικό σχόλιο. Διαφορετικά, οι ενισχυτές αρνητικής ανάδρασης έχουν το κύκλωμα ανάδρασης συνδεδεμένο σε αρνητικό τερματικό.

Γιατί χρειαζόμαστε αντιστάθμιση συχνότητας στα Op-Amps;

Ας δούμε το παρακάτω κύκλωμα ενισχυτή. Είναι ένα απλό κύκλωμα Op-Amp αρνητικής ανατροφοδότησης. Το κύκλωμα συνδέεται ως διαμόρφωση ακολούθου κέρδους ενότητας.

Το παραπάνω κύκλωμα είναι πολύ κοινό στα ηλεκτρονικά. Όπως όλοι γνωρίζουμε, οι ενισχυτές έχουν πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου σε όλη την είσοδο και θα μπορούσαν να παρέχουν μια λογική ποσότητα ρεύματος σε όλη την έξοδο. Επομένως, οι λειτουργικοί ενισχυτές μπορούν να κινηθούν χρησιμοποιώντας χαμηλά σήματα για να οδηγήσουν φορτία υψηλότερου ρεύματος.

Αλλά ποιο είναι το μέγιστο ρεύμα που θα μπορούσε να προσφέρει το op-amp για την ασφαλή οδήγηση του φορτίου; Το παραπάνω κύκλωμα είναι αρκετά καλό για να οδηγήσει καθαρά αντιστατικά φορτία (ιδανικό φορτίο αντίστασης), αλλά αν συνδέσουμε ένα χωρητικό φορτίο σε όλη την έξοδο, το op-amp θα γίνει ασταθές και βασίζεται στην τιμή της χωρητικότητας φορτίου στη χειρότερη περίπτωση το op-amp μπορεί ακόμη και να αρχίσει να ταλαντεύεται.

Ας διερευνήσουμε γιατί ο op-amp γίνεται ασταθής όταν ένα χωρητικό φορτίο είναι συνδεδεμένο σε όλη την έξοδο. Το παραπάνω κύκλωμα μπορεί να περιγραφεί ως ένας απλός τύπος -

A _{cl =} A / 1 + Aß

Ένα _cl είναι το κέρδος κλειστού βρόχου. Α είναι το κέρδος ανοικτού βρόχου του ενισχυτή. ο

Η παραπάνω εικόνα είναι μια αναπαράσταση του τύπου και του κυκλώματος ενισχυτή αρνητικής ανάδρασης. Είναι ακριβώς ίδιο με τον παραδοσιακό αρνητικό ενισχυτή που αναφέρθηκε προηγουμένως. Και οι δύο μοιράζονται την είσοδο AC στο θετικό τερματικό και και οι δύο έχουν την ίδια ανατροφοδότηση στο αρνητικό τερματικό. Ο κύκλος είναι η διασταύρωση αθροίσματος έχει δύο εισόδους, μία από το σήμα εισόδου και η δεύτερη από το κύκλωμα ανάδρασης. Λοιπόν, όταν ο ενισχυτής λειτουργεί σε κατάσταση αρνητικής ανάδρασης, η πλήρης τάση εξόδου του ενισχυτή ρέει μέσω της γραμμής ανάδρασης στο σημείο αθροίσματος. Στη διασταύρωση αθροίσματος, η τάση ανάδρασης και η τάση εισόδου προστίθενται μαζί και τροφοδοτούνται πίσω στην είσοδο του ενισχυτή.

Η εικόνα χωρίζεται σε δύο φάσεις κέρδους. Πρώτον, δείχνει πλήρες κύκλωμα κλειστού βρόχου, καθώς αυτό είναι ένα δίκτυο κλειστού βρόχου και επίσης το κύκλωμα ανοιχτού βρόχου op-amp, επειδή το op-amp που δείχνει το Α είναι ένα αυτόνομο ανοιχτό κύκλωμα, η ανάδραση δεν είναι άμεσα συνδεδεμένη.

Η έξοδος της διασταύρωσης αθροίσματος ενισχύεται περαιτέρω από το κέρδος ανοιχτού βρόχου op-amp. Επομένως, εάν αυτό το πλήρες πράγμα αντιπροσωπεύεται ως μαθηματικός σχηματισμός, η έξοδος κατά μήκος της διασταύρωσης αθροίσματος είναι -

Vin - Voutß

Αυτό λειτουργεί εξαιρετικά για να ξεπεραστεί το πρόβλημα αστάθειας. Το δίκτυο RC δημιουργεί ένα πόλο σε ενότητα ή κέρδος 0dB που κυριαρχεί ή ακυρώνει άλλα αποτελέσματα πόλων υψηλής συχνότητας. Η συνάρτηση μεταφοράς της κυρίαρχης διαμόρφωσης πόλου είναι -

Όπου, A (s) είναι η συνάρτηση μεταφοράς χωρίς αντιστάθμιση, το A είναι το κέρδος ανοιχτού βρόχου, ώ1, ώ2 και ω3 είναι οι συχνότητες όπου η απολαβή κέρδους στα -20dB, -40dB, -60dB αντίστοιχα. Η παρακάτω γραφική παράσταση Bode δείχνει τι θα συμβεί εάν προστεθεί η κυρίαρχη τεχνική αντιστάθμισης πόλων σε όλη την έξοδο op-amp, όπου το fd είναι η κυρίαρχη συχνότητα πόλων.

2. Αποζημίωση Miller

Μια άλλη αποτελεσματική τεχνική αντιστάθμισης είναι η τεχνική αντιστάθμισης του μύλου και είναι μια τεχνική αντιστάθμισης εντός βρόχου όπου χρησιμοποιείται ένας απλός πυκνωτής με ή χωρίς αντίσταση απομόνωσης φορτίου (αντίσταση Nulling). Αυτό σημαίνει ότι ένας πυκνωτής είναι συνδεδεμένος στον βρόχο ανατροφοδότησης για να αντισταθμίσει την απόκριση συχνότητας op-amp.

Το κύκλωμα αντιστάθμισης μύλου φαίνεται παρακάτω. Σε αυτήν την τεχνική, ένας πυκνωτής συνδέεται με την ανατροφοδότηση με μια αντίσταση στην έξοδο.

Το κύκλωμα είναι ένας απλός ενισχυτής αρνητικής ανάδρασης με αντίστροφο κέρδος που εξαρτάται από τα R1 και R2. Το R3 είναι η μηδενική αντίσταση και το CL είναι το χωρητικό φορτίο σε όλη την έξοδο op-amp. CF είναι ο πυκνωτής ανάδρασης που χρησιμοποιείται για σκοπούς αποζημίωσης. Η τιμή του πυκνωτή και της αντίστασης εξαρτάται από τον τύπο των σταδίων του ενισχυτή, την αντιστάθμιση πόλου και το χωρητικό φορτίο.

Τεχνικές αντιστάθμισης εσωτερικής συχνότητας

Οι σύγχρονοι λειτουργικοί ενισχυτές έχουν εσωτερική τεχνική αντιστάθμισης. Στην τεχνική εσωτερικής αντιστάθμισης, ένας μικρός πυκνωτής ανάδρασης συνδέεται στο εσωτερικό του IC op-amp μεταξύ των δεύτερων σταδίων τρανζίστορ εκπομπού. Για παράδειγμα, η παρακάτω εικόνα είναι το εσωτερικό διάγραμμα του δημοφιλούς op-amp LM358.

Ο πυκνωτής Cc συνδέεται μεταξύ των Q5 και Q10. Είναι ο πυκνωτής αποζημίωσης (Cc). Αυτός ο πυκνωτής αντιστάθμισης βελτιώνει τη σταθερότητα του ενισχυτή και επίσης αποτρέπει το φαινόμενο ταλάντωσης και κουδουνίσματος στην έξοδο.

Αντιστάθμιση συχνότητας Op-amp - Πρακτική προσομοίωση

Για να κατανοήσουμε πιο αποτελεσματικά την αντιστάθμιση συχνότητας, ας προσπαθήσουμε να την προσομοιώσουμε λαμβάνοντας υπόψη το παρακάτω κύκλωμα -

Το κύκλωμα είναι ένας απλός ενισχυτής αρνητικής ανάδρασης χρησιμοποιώντας το LM393. Αυτό το op-amp δεν έχει ενσωματωμένο πυκνωτή αντιστάθμισης. Θα προσομοιώσουμε το κύκλωμα στο Pspice με χωρητικό φορτίο 100pF και θα ελέγξουμε πώς θα λειτουργεί σε λειτουργία χαμηλής και υψηλής συχνότητας.

Για να το ελέγξετε αυτό, πρέπει να αναλύσετε το κέρδος ανοιχτού βρόχου και το περιθώριο φάσης του κυκλώματος. Αλλά είναι λίγο δύσκολο για το pspice αφού η προσομοίωση του ακριβούς κυκλώματος, όπως φαίνεται παραπάνω, θα αντιπροσωπεύει το κέρδος κλειστού βρόχου. Ως εκ τούτου, πρέπει να ληφθούν ειδικά θέματα. Το βήμα για τη μετατροπή του παραπάνω κυκλώματος για προσομοίωση κέρδους ανοιχτού βρόχου (κέρδος έναντι φάσης) στο pspice αναφέρεται παρακάτω,

1. Η είσοδος είναι γειωμένη για τη λήψη της απόκρισης ανατροφοδότησης. Η είσοδος κλειστού βρόχου στην έξοδο αγνοείται.
2. Η είσοδος αναστροφής χωρίζεται σε δύο μέρη. Ο ένας είναι ο διαχωριστής τάσης και ένας άλλος είναι ο αρνητικός ακροδέκτης του op-amp.
3. Δύο μέρη μετονομάζονται για να δημιουργήσουν δύο ξεχωριστούς κόμβους και σκοπούς αναγνώρισης κατά τη φάση προσομοίωσης. Το τμήμα διαιρέτη τάσης μετονομάζεται ως ανατροφοδότηση και το αρνητικό τερματικό μετονομάζεται σε Εισαγωγή εισόδου. (Αντιστροφή εισόδου).
4. Αυτοί οι δύο σπασμένοι κόμβοι συνδέονται με πηγή τάσης 0V DC. Αυτό γίνεται επειδή, από τον όρο της τάσης DC, και οι δύο κόμβοι έχουν την ίδια τάση η οποία είναι απαραίτητη για την ικανοποίηση του τρέχοντος σημείου λειτουργίας του κυκλώματος.
5. Προσθήκη της πηγής τάσης με 1V της διέγερσης AC. Αυτό αναγκάζει τη διαφορά τάσης των δύο επιμέρους κόμβων να γίνει 1 κατά την ανάλυση AC. Ένα πράγμα είναι απαραίτητο σε αυτήν την περίπτωση, ότι ο λόγος της ανατροφοδότησης και της εισόδου αναστροφής εξαρτάται από το κέρδος ανοικτού βρόχου κυκλωμάτων.

Αφού κάνετε τα παραπάνω βήματα, το κύκλωμα μοιάζει με αυτό -

Το κύκλωμα τροφοδοτείται χρησιμοποιώντας ράγα τροφοδοσίας 15V +/-. Ας προσομοιώσουμε το κύκλωμα και ελέγξτε το οικόπεδο εξόδου.

Δεδομένου ότι το κύκλωμα δεν έχει αντιστάθμιση συχνότητας, όπως αναμενόταν, η προσομοίωση δείχνει υψηλό κέρδος σε χαμηλή συχνότητα και χαμηλό κέρδος σε υψηλή συχνότητα. Επίσης, δείχνει πολύ χαμηλό περιθώριο φάσης. Ας δούμε ποια είναι η φάση στο κέρδος 0dB.

Όπως μπορείτε να δείτε ακόμη και με κέρδος 0dB ή crossover κέρδους ενότητας, το op-amp παρέχει μετατόπιση φάσης 6 μοιρών με μόνο χωρητικό φορτίο 100pF.

Τώρα ας αυτοσχεδιάσουμε το κύκλωμα προσθέτοντας μια αντίσταση αντιστάθμισης συχνότητας και έναν πυκνωτή για να δημιουργήσουμε αντιστάθμιση μύλου στο op-amp και να αναλύσουμε το αποτέλεσμα. Μια αντίσταση 50 Ohms null τοποθετείται κατά μήκος του op-amp και της εξόδου με έναν πυκνωτή αντιστάθμισης 100pF.

Η προσομοίωση έγινε και η καμπύλη μοιάζει με την παρακάτω,

Η καμπύλη φάσης είναι πολύ καλύτερη τώρα. Η μετατόπιση φάσης στο κέρδος 0dB είναι σχεδόν 45,5 μοίρες. Η σταθερότητα του ενισχυτή αυξάνεται πολύ χρησιμοποιώντας την τεχνική αντιστάθμισης συχνότητας. Επομένως, αποδεικνύεται ότι η τεχνική αντιστάθμισης συχνότητας συνιστάται ιδιαίτερα για την καλύτερη σταθερότητα του op-map. Αλλά το εύρος ζώνης θα μειωθεί.

Τώρα καταλαβαίνουμε τη σημασία της αντιστάθμισης συχνότητας του opamp και πώς να το χρησιμοποιήσουμε στα σχέδιά μας Op-Amp για την αποφυγή προβλημάτων αστάθειας. Ελπίζω να σας άρεσε να διαβάζετε το σεμινάριο και να μάθετε κάτι χρήσιμο. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις αφήστε τα στα φόρουμ μας ή στην παρακάτω ενότητα σχολίων.