- Краткие сведения об операционном усилителе
- Зачем нам нужна частотная компенсация в операционных усилителях?
- Методы внутренней частотной компенсации
- Частотная компенсация операционного усилителя - Практическое моделирование
Операционные усилители или операционные усилители считаются рабочей лошадкой аналоговых электронных устройств. Еще в эпоху аналоговых компьютеров операционные усилители использовались для математических операций с аналоговыми напряжениями, отсюда и название операционный усилитель. До настоящего времени операционные усилители широко используются для сравнения напряжений, дифференцирования, интегрирования, суммирования и многого другого. Излишне говорить, что схемы операционного усилителя очень легко реализовать для различных целей, но у них есть несколько ограничений, которые часто приводят к сложности.
Основная задача - повысить стабильность операционного усилителя в приложениях с широкой полосой пропускания. Решение состоит в том, чтобы компенсировать усилитель с точки зрения частотной характеристики, используя схему частотной компенсации на операционном усилителе. Стабильность усилителя сильно зависит от различных параметров. В этой статье давайте разберемся, насколько важна частотная компенсация и как ее использовать в ваших проектах.
Краткие сведения об операционном усилителе
Прежде чем переходить непосредственно к применению операционных усилителей и к тому, как стабилизировать усилитель с помощью техники частотной компенсации, давайте рассмотрим несколько основных моментов, касающихся операционного усилителя.
Усилитель может быть сконфигурирован как конфигурация с обратной связью или конфигурация с обратной связью. В конфигурации с разомкнутым контуром с ней не связаны никакие цепи обратной связи. Но в конфигурации с обратной связью усилителю необходима обратная связь для правильной работы. У оперативника могут быть отрицательные отзывы или положительные отзывы. Если аналоговая обратная связь подключена к положительной клемме операционного усилителя, это называется положительной обратной связью. В противном случае усилители с отрицательной обратной связью имеют цепь обратной связи, подключенную к отрицательной клемме.
Зачем нам нужна частотная компенсация в операционных усилителях?
Давайте посмотрим на схему усилителя ниже. Это простая схема неинвертирующего операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Схема подключена как конфигурация повторителя с единичным усилением.
Вышеуказанная схема очень распространена в электронике. Как мы все знаем, усилители имеют очень высокий входной импеданс на входе и могут обеспечивать разумную величину тока на выходе. Следовательно, операционные усилители могут управляться с использованием сигналов низкого уровня для управления нагрузками с более высоким током.
Но какой максимальный ток может обеспечить операционный усилитель для безопасного управления нагрузкой? Вышеупомянутая схема достаточно хороша для управления чисто резистивными нагрузками (идеальная резистивная нагрузка), но если мы подключим емкостную нагрузку к выходу, операционный усилитель станет нестабильным, и в худшем случае, исходя из значения емкости нагрузки, операционный усилитель может даже начать колебаться.
Давайте выясним, почему операционный усилитель становится нестабильным, когда к выходу подключена емкостная нагрузка. Вышеупомянутую схему можно описать простой формулой -
A cl = A / 1 + Aß
A cl - коэффициент усиления с обратной связью. A - коэффициент усиления усилителя без обратной связи. В
На изображении выше представлена формула и схема усилителя с отрицательной обратной связью. Он полностью идентичен традиционному отрицательному усилителю, указанному ранее. Оба имеют общий вход переменного тока на положительной клемме, и оба имеют одинаковую обратную связь на отрицательной клемме. Кружок - это суммирующее соединение, имеющее два входа: один для входного сигнала, а второй - для цепи обратной связи. Что ж, когда усилитель работает в режиме отрицательной обратной связи, полное выходное напряжение усилителя протекает через линию обратной связи к точке суммирующего соединения. В суммирующем переходе напряжение обратной связи и входное напряжение суммируются и возвращаются на вход усилителя.
Изображение разделено на два каскада усиления. Во-первых, он показывает полную схему с обратной связью, поскольку это сеть с обратной связью, а также схема с разомкнутым контуром операционных усилителей, поскольку операционный усилитель, показывающий A, является автономной разомкнутой схемой, обратная связь не подключается напрямую.
Выходной сигнал суммирующего перехода дополнительно усиливается усилением разомкнутого контура операционного усилителя. Следовательно, если эта законченная вещь представлена как математическая формация, выход на суммирующем соединении будет -
Vin - Voutß
Это отлично помогает преодолеть проблему нестабильности. RC-сеть создает полюс с коэффициентом усиления, равным единице или 0 дБ, который доминирует или нейтрализует эффект других высокочастотных полюсов. Передаточная функция доминирующей полюсной конфигурации -
Где A (s) - это нескомпенсированная передаточная функция, A - коэффициент усиления без обратной связи, 1, ώ2 и 3 - частоты, на которых спад усиления составляет -20 дБ, -40 дБ, -60 дБ соответственно. Боде ниже показывает, что происходит, если доминирующий полюс метод компенсации добавляется к выходу ОУ, где FD является доминирующим полюсом частоты.
2. Компенсация Миллера
Другой эффективный метод компенсации - это метод компенсации Миллера, и это метод внутриконтурной компенсации, при котором используется простой конденсатор с резистором развязки нагрузки (резистором обнуления) или без него. Это означает, что в цепь обратной связи включен конденсатор для компенсации частотной характеристики операционного усилителя.
Схема компенсации миллера показана ниже. В этом методе к обратной связи подключается конденсатор с резистором на выходе.
Схема представляет собой простой усилитель с отрицательной обратной связью с инвертирующим усилением, зависящим от R1 и R2. R3 - это нулевой резистор, а CL - емкостная нагрузка на выходе операционного усилителя. CF - это конденсатор обратной связи, который используется для компенсации. Емкость конденсатора и резистора зависит от типа каскадов усилителя, компенсации полюсов и емкостной нагрузки.
Методы внутренней частотной компенсации
Современные операционные усилители имеют внутреннюю компенсационную технику. В методе внутренней компенсации небольшой конденсатор обратной связи включен внутри ИС операционного усилителя между вторыми каскадами транзистора с общим эмиттером. Например, на изображении ниже представлена внутренняя схема популярного операционного усилителя LM358.
Конденсатор Cc подключен между Q5 и Q10. Это компенсационный конденсатор (Cc). Этот компенсационный конденсатор улучшает стабильность усилителя, а также предотвращает колебания и эффект звона на выходе.
Частотная компенсация операционного усилителя - Практическое моделирование
Чтобы понять компенсацию частоты более практично, давайте попробуем смоделировать ее, рассмотрев приведенную ниже схему -
Схема представляет собой простой усилитель с отрицательной обратной связью на LM393. Этот операционный усилитель не имеет встроенного компенсационного конденсатора. Мы смоделируем схему в Pspice с емкостной нагрузкой 100 пФ и проверим, как она будет работать в режиме низких и высоких частот.
Чтобы это проверить, необходимо проанализировать коэффициент усиления без обратной связи и запас по фазе схемы. Но это немного сложно для pspice, поскольку моделирование точной схемы, как показано выше, будет представлять его усиление с обратной связью. Поэтому необходимо учитывать особые соображения. Шаг к преобразованию вышеуказанной схемы для моделирования усиления без обратной связи (коэффициент усиления по фазе) в pspice указан ниже.
- Вход заземлен для получения обратной связи; замкнутый контур ввода-вывода игнорируется.
- Инвертирующий вход разбит на две части. Один - это делитель напряжения, а другой - отрицательный вывод операционного усилителя.
- Две части переименованы для создания двух отдельных узлов и целей идентификации на этапе моделирования. Раздел делителя напряжения переименован в обратную связь, а отрицательный вывод переименован в Inv-input. (Инвертирующий вход).
- Эти два сломанных узла подключены к источнику постоянного напряжения 0 В. Это происходит потому, что с точки зрения постоянного напряжения оба узла имеют одинаковое напряжение, которое необходимо для схемы, чтобы удовлетворить требованиям текущей рабочей точки.
- Добавление источника напряжения с 1V стимула переменного тока. Это приводит к тому, что разность напряжений двух отдельных узлов становится равной 1 во время анализа переменного тока. В этом случае важно одно: соотношение обратной связи и инвертирующего входа зависит от коэффициента усиления разомкнутого контура.
После выполнения вышеуказанных шагов схема будет выглядеть так -
Схема питается от шины питания +/- 15В. Давайте смоделируем схему и проверим ее выходной график.
Поскольку в схеме нет частотной компенсации, как и ожидалось, моделирование показывает высокий коэффициент усиления на низкой частоте и низкий коэффициент усиления на высокой частоте. Кроме того, он показывает очень плохой запас по фазе. Посмотрим, какая фаза при усилении 0 дБ.
Как вы можете видеть, даже при коэффициенте усиления 0 дБ или кроссовере с единичным усилением операционный усилитель обеспечивает сдвиг фазы на 6 градусов при емкостной нагрузке всего 100 пФ.
Теперь давайте импровизируем схему, добавив резистор частотной компенсации и конденсатор, чтобы создать компенсацию Миллера на операционном усилителе и проанализировать результат. Нулевой резистор сопротивлением 50 Ом помещается между операционным усилителем и выходом с компенсационным конденсатором 100 пФ.
Симуляция завершена, и кривая выглядит, как показано ниже,
Фазовая кривая теперь намного лучше. Сдвиг фазы при усилении 0 дБ составляет почти 45,5 градусов. Стабильность усилителя значительно повышается с помощью техники частотной компенсации. Таким образом, доказано, что метод частотной компенсации настоятельно рекомендуется для лучшей стабильности op-map. Но пропускная способность уменьшится.
Теперь мы понимаем важность частотной компенсации операционных усилителей и способы их использования в наших проектах операционных усилителей, чтобы избежать проблем с нестабильностью. Надеюсь, вам понравилось читать руководство и вы узнали что-то полезное. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их на нашем форуме или в разделе комментариев ниже.