Op-amp: n taajuuskorjaus ja miksi se on tärkeä opsissasi

Operatiivisia vahvistimia tai Op-vahvistimia pidetään analogisten elektronisten mallien työhevosena. Analogisten tietokoneiden aikakaudelta lähtien Op-Ampereita on käytetty matemaattisiin operaatioihin analogisilla jännitteillä, joten nimi on operatiivinen vahvistin. Op-ampeereita käytetään laajasti jännitteen vertailuun, erotteluun, integrointiin, summaamiseen ja moniin muihin asioihin. On sanomattakin selvää, että operatiiviset vahvistinpiirit on erittäin helppo toteuttaa eri tarkoituksiin, mutta sillä on vain vähän rajoituksia, jotka johtavat usein monimutkaisuuteen.

Suurin haaste on parantaa op-vahvistimen vakautta laajalla sovellusten kaistanleveydellä. Ratkaisu on kompensoida vahvistin taajuusvasteella käyttämällä taajuuskorjauspiiriä operatiivisen vahvistimen poikki. Vahvistimen vakaus riippuu suuresti eri parametreista. Tässä artikkelissa ymmärretään taajuuskorvauksen merkitys ja miten sitä käytetään suunnittelussa.

Nopeat perusteet Op-Amp: lle

Ennen kuin ryhdymme suoraan operatiivisten vahvistimien etukäteissovellukseen ja vahvistimen vakauttamiseen taajuuskorjaustekniikalla, tutkitaan muutama operatiivisen vahvistimen perusasia.

Vahvistin voidaan konfiguroida avoimen piirin kokoonpanoksi tai suljetun silmukan kokoonpanoksi. Kun avoimen silmukan konfiguraatio, ei ole palautetta piirejä siihen liittyviä. Mutta suljetun piirin kokoonpanossa vahvistin tarvitsee palautetta toimiakseen kunnolla. Operatiivisella voi olla negatiivista tai positiivista palautetta. Jos palauteverkon analogia op-amp: n positiivisen päätelaitteen yli, sitä kutsutaan positiiviseksi palautteeksi. Muussa tapauksessa negatiivisen takaisinkytkennän vahvistimissa on takaisinkytkentäpiiri kytketty negatiivisen päätteen yli.

Miksi tarvitsemme taajuuskorjausta op-ampeereissa?

Katsotaanpa alla oleva vahvistinpiiri. Se on yksinkertainen negatiivisen palautteen ei-invertoiva Op-Amp-piiri. Piiri on kytketty yhtenäisyyden vahvistuksen seuraajakokoonpanona.

Yllä oleva piiri on hyvin yleinen elektroniikassa. Kuten me kaikki tiedämme, vahvistimilla on erittäin suuri tuloimpedanssi sisääntulon yli ja ne voisivat tuottaa kohtuullisen määrän virtaa ulostulossa. Siksi operatiivisia vahvistimia voidaan käyttää matalilla signaaleilla suuremman virran kuormien ohjaamiseksi.

Mutta mikä on suurin virta, jonka op-vahvistin voisi tuottaa kuorman turvalliseksi ajamiseksi? Yllä oleva piiri on tarpeeksi hyvä ajamaan puhtaita resistiivisiä kuormia (ihanteellinen resistiivinen kuorma), mutta jos yhdistämme kapasitiivisen kuorman lähdön yli, op-vahvistin muuttuu epävakaaksi ja perustuu pahimmillaan kuormituskapasitanssin arvoon jopa heilahtelemaan.

Tutkitaan, miksi op-vahvistin muuttuu epävakaaksi, kun kapasitiivinen kuorma on kytketty lähdön yli. Yllä olevaa virtapiiriä voidaan kuvata yksinkertaisena kaavana -

A _{cl =} A / 1 + Aß

_Cl on suljetun silmukan vahvistus. A on vahvistimen avoimen silmukan vahvistus.

Yllä oleva kuva on kaavan ja negatiivisen palautteen vahvistinpiirin esitys. Se on täsmälleen identtinen aiemmin ilmoitetun perinteisen negatiivisen vahvistimen kanssa. Heillä molemmilla on vaihtovirta positiivisessa liittimessä ja molemmilla on sama palaute negatiivisessa liittimessä. Ympyrä on summausliitoksessa on kaksi tuloa, yksi tulosignaalista ja toinen takaisinkytkentäpiiristä. No, kun vahvistin toimii negatiivisessa takaisinkytkentätilassa, vahvistimen koko lähtöjännite virtaa takaisinkytkentälinjan kautta summausliitäntäpisteeseen. Yhteenliittymässä takaisinkytkentäjännite ja tulojännite lasketaan yhteen ja syötetään takaisin vahvistimen tuloon.

Kuva on jaettu kahteen vahvistusasteeseen. Ensinnäkin, se näyttää täydellisen suljetun piirin piirin, koska tämä on suljetun silmukan verkko ja myös op-ampeereiden avoimen silmukan piiri, koska A-op-vahvistin on erillinen avoin piiri, takaisinkytkentä ei ole suoraan kytketty.

Summausliitoksen lähtöä vahvistetaan edelleen op-amp: n avoimen silmukan vahvistuksella. Siksi, jos tämä täydellinen asia esitetään matemaattisena muodostelmana, lähtöliitäntä yhdistävän risteyksen yli on -

Vin - Voutß

Tämä toimii hyvin epävakauden ongelman voittamiseksi. RC-verkko luo napan yhtenäisyydellä tai 0dB: n vahvistuksella, joka hallitsee tai kumoaa muita korkeataajuisten napojen vaikutuksia. Hallitsevan napakonfiguraation siirtofunktio on -

Missä A (s) on kompensoimaton siirtofunktio, A on avoimen silmukan vahvistus, ώ1, ώ2 ja ώ3 ovat taajuuksia, joissa vahvistus siirtyy vastaavasti -20dB, -40dB, -60dB. Alla oleva Bode-käyrä osoittaa, mitä tapahtuu, jos hallitseva napakompensointitekniikka lisätään op-amp-ulostulon yli, jossa fd on hallitseva napataajuus.

2. Millerin korvaus

Toinen tehokas kompensointitekniikka on jyrsinkompensointitekniikka ja se on silmukan sisäinen kompensointitekniikka, jossa käytetään yksinkertaista kondensaattoria kuormaneristusvastuksen kanssa (tai ilman sitä). Tämä tarkoittaa, että kondensaattori on kytketty takaisinkytkentäsilmukkaan kompensoimaan op-amp-taajuusvaste.

Miller kompensointipiiri on esitetty alla. Tässä tekniikassa kondensaattori kytketään takaisinkytkentään vastuksella ulostulon poikki.

Piiri on yksinkertainen negatiivisen takaisinkytkennän vahvistin, jonka käänteinen vahvistus riippuu R1: stä ja R2: sta. R3 on nollavastus ja CL on kapasitiivinen kuorma op-amp-ulostulossa. CF on takaisinkytkentäkondensaattori, jota käytetään kompensointitarkoituksiin. Kondensaattori ja vastuksen arvo riippuvat vahvistimen vaiheiden tyypistä, napakompensoinnista ja kapasitiivisesta kuormasta.

Sisäiset taajuuksien kompensointitekniikat

Nykyaikaisissa operatiivisissa vahvistimissa on sisäinen kompensointitekniikka. Sisäisessä kompensointitekniikassa pieni palautekondensaattori on kytketty op-amp-IC: n sisäpuolelle toisen vaiheen välisen yhteisen emitteritransistorin väliin. Esimerkiksi alla oleva kuva on suositun op-amp LM358: n sisäinen kaavio.

Cc-kondensaattori on kytketty Q5: n ja Q10: n poikki. Se on kompensointikondensaattori (Cc). Tämä kompensointikondensaattori parantaa vahvistimen vakautta ja estää värähtelyn ja soittoäänen ulostulossa.

Op-amp: n taajuuskorjaus - käytännön simulointi

Yritämme simuloida taajuuskorjausta käytännöllisemmin ottamalla huomioon alla oleva piiri -

Piiri on yksinkertainen negatiivisen takaisinkytkennän vahvistin, joka käyttää LM393: ta. Tällä op-vahvistimella ei ole sisäänrakennettua kompensointikondensaattoria. Me simuloida piiri Pspice kanssa 100pF ja kapasitiivisen kuorman ja tarkistaa, kuinka se suorittaa matalan ja korkean taajuuden käytön.

Tämän tarkistamiseksi on analysoitava piirin avoimen silmukan vahvistus ja vaihemarginaali. Mutta se on hieman hankalaa pspicelle, koska tarkan piirin simulointi, kuten yllä on esitetty, edustaa sen suljetun silmukan vahvistusta. Siksi on otettava huomioon erityishuomioita. Vaihe yllä olevan piirin muuntamiseksi avoimen silmukan vahvistussimulaatiota (vahvistus vs. vaihe) varten pspicessa on esitetty alla,

1. Tulo maadoitetaan palautevastauksen saamiseksi; suljetun piirin tulo lähtöön ohitetaan.
2. Käänteinen syöte on jaettu kahteen osaan. Yksi on jännitteenjakaja ja toinen on op-vahvistimen negatiivinen napa.
3. Kaksi osaa nimetään uudelleen luomaan kaksi erillistä solmua ja tunnistustarkoituksia simulointivaiheen aikana. Jännitteenjakajan osa nimetään uudelleen palautteeksi ja negatiivinen pääte nimetään Inv-tuloksi. (Käänteinen tulo).
4. Nämä kaksi rikkoutunutta solmua on kytketty 0 V DC -jännitelähteeseen. Tämä tapahtuu, koska tasajännitteen termistä lähtien molemmilla solmuilla on sama jännite, mikä on välttämätöntä piirille nykyisen toimintapistevaatimuksen täyttämiseksi.
5. Jännitelähteen lisääminen 1 V: n vaihtovirralla. Tämä pakottaa kahden yksittäisen solmun jännite-eron tulemaan 1 vaihtovirta-analyysin aikana. Yksi asia on tässä tapauksessa välttämätöntä, että takaisinkytkennän ja käänteisen tulon suhde on luotettava piirien avoimen silmukan vahvistukseen.

Suoritettuaan yllä olevat vaiheet piiri näyttää tältä -

Piiri saa virran 15V +/- virtalähteestä. Simuloidaan piiri ja tarkistetaan sen lähtöbodikaavio.

Koska piirillä ei ole taajuuskorjausta, simulaatio näyttää odotetusti suurta vahvistusta matalalla taajuudella ja pientä vahvistusta suurella taajuudella. Lisäksi se näyttää erittäin heikon vaihemarginaalin. Katsotaanpa, mikä on vaihe 0 dB: n vahvistuksella.

Kuten voit nähdä jopa 0 dB: n vahvistuksella tai ykseysvahvistuksella, op-amp tarjoaa 6 asteen vaihesiirron vain 100 pF kapasitiivisella kuormalla.

Tarkastellaan nyt piiriä lisäämällä taajuuskorjausvastus ja kondensaattori jyrsinkompensaation luomiseksi op-amp: n yli ja analysoimaan tulos. 50 ohmia nollavastusta sijoitetaan op-vahvistimen ja lähdön poikki 100 pF kompensointikondensaattorilla.

Simulaatio on valmis ja käyrä näyttää alla olevalta,

Vaihekäyrä on nyt paljon parempi. Vaihesiirto 0 dB: n vahvistuksella on lähes 45,5 astetta. Vahvistimen vakaus kasvaa voimakkaasti taajuuskorjaustekniikalla. Siksi on osoitettu, että taajuuskorjaustekniikkaa suositellaan erittäin hyvin op-kartan paremman vakauden saavuttamiseksi. Mutta kaistanleveys pienenee.

Nyt ymmärrämme opampin taajuuskorjauksen tärkeyden ja kuinka sitä käytetään Op-Amp-suunnitelmissamme epävakausongelmien välttämiseksi. Toivottavasti pidit oppitunnin lukemisesta ja opit jotain hyödyllistä. Jos sinulla on kysyttävää, jätä ne foorumeillemme tai alla olevaan kommenttiosioon.