- Conceptes bàsics ràpids sobre Op-Amp
- Per què necessitem una compensació de freqüència en amplificadors operatius?
- Tècniques de compensació de freqüències internes
- Compensació de freqüència de l'amplificador operatiu: simulació pràctica
Els amplificadors operatius o amplificadors d’Op es consideren el cavall de batalla dels dissenys electrònics analògics. De tornada de l'era dels ordinadors analògics, els Op-Amps s'han utilitzat per a operacions matemàtiques amb tensions analògiques, d'aquí el nom d'amplificador operacional. Fins a la data, els amplificadors operatius s’utilitzen àmpliament per a la comparació de tensions, la diferenciació, la integració, la suma i moltes altres coses. No cal dir que els circuits d'amplificació operacional són molt fàcils d'implementar per a diferents propòsits, però tenen poques limitacions que sovint condueixen a la complexitat.
El repte principal és millorar l’estabilitat d’un amplificador operatiu en un ampli ample de banda d’aplicacions. La solució és compensar l’amplificador en termes de resposta de freqüència mitjançant un circuit de compensació de freqüència a través de l’amplificador operacional. L’estabilitat d’un amplificador depèn molt de diferents paràmetres. En aquest article comprenem la importància de la compensació de freqüència i com s’utilitza en els vostres dissenys.
Conceptes bàsics ràpids sobre Op-Amp
Abans d’entrar directament en l’aplicació avançada d’amplificadors operatius i com estabilitzar l’amplificador mitjançant la tècnica de compensació de freqüència, explorem algunes coses bàsiques sobre l’amplificador operacional.
Un amplificador es pot configurar com a configuració de bucle obert o configuració de bucle tancat. En una configuració de bucle obert, no hi ha circuits de retroalimentació que s'hi associen. Però en una configuració de llaç tancat, l'amplificador necessita retroalimentació per funcionar correctament. L'operatiu pot tenir comentaris negatius o comentaris positius. Si la xarxa de retroalimentació és analògica a través del terminal positiu de l’amplificador operatiu, s’anomena retroalimentació positiva. En cas contrari, els amplificadors de retroalimentació negativa tenen els circuits de retroalimentació connectats a través del terminal negatiu.
Per què necessitem una compensació de freqüència en amplificadors operatius?
Vegem el següent circuit d'amplificador. És un circuit Op-Amp sense inversió de retroalimentació negativa simple. El circuit es connecta com una configuració de seguidor de guany d’unitat.
El circuit anterior és molt comú en electrònica. Com tots sabem, els amplificadors tenen una impedància d’entrada molt alta a tota l’entrada i poden proporcionar una quantitat raonable de corrent a la sortida. Per tant, els amplificadors operatius es poden accionar mitjançant senyals baixos per conduir càrregues de corrent superior.
Però, quin és el corrent màxim que podria proporcionar l'amplificador operatiu per conduir la càrrega amb seguretat? El circuit anterior és prou bo per conduir càrregues resistives pures (càrrega resistiva ideal), però si connectem una càrrega capacitiva a través de la sortida, l’ampli operatiu esdevindrà inestable i es basarà en el valor de la capacitat de càrrega en el pitjor dels casos. fins i tot comencen a oscil·lar.
Explorem per què l'ampli operador es torna inestable quan es connecta una càrrega capacitiva a la sortida. El circuit anterior es pot descriure com una fórmula simple:
A cl = A / 1 + Aß
Un cl és el guany de bucle tancat. A és el guany de bucle obert de l'amplificador. El
La imatge anterior és una representació de la fórmula i del circuit amplificador de retroalimentació negativa. És exactament idèntic a l'amplificador negatiu tradicional esmentat anteriorment. Tots dos comparteixen entrada de CA al terminal positiu i tots dos tenen la mateixa retroalimentació al terminal negatiu. El cercle és la unió sumadora que té dues entrades, una del senyal d’entrada i la segona del circuit de retroalimentació. Bé, quan l'amplificador funciona en mode de retroalimentació negativa, la tensió de sortida completa de l'amplificador flueix a través de la línia de retroalimentació fins al punt de la unió sumant. A la unió sumant, el voltatge de retroalimentació i el voltatge d’entrada s’afegeixen i s’alimenten de nou a l’entrada de l’amplificador.
La imatge es divideix en dues fases de guany. En primer lloc, mostra un circuit complet de llaç tancat, ja que es tracta d’una xarxa de llaç tancat i també el circuit de llaç obert d’amperis operatius, ja que l’amplificador operatiu que mostra A és un circuit obert independent, la retroalimentació no està connectada directament.
La sortida de la unió sumant s’amplifica encara més amb el guany de llaç obert de l’ampli operatiu. Per tant, si aquesta cosa completa es representa com una formació matemàtica, la sortida a través de la unió sumant és -
Vin - Voutß
Això funciona molt bé per superar el problema d’inestabilitat. La xarxa RC crea un pol a la unitat o al guany de 0 dB que domina o anul·la altres efectes de pols d'alta freqüència. La funció de transferència de la configuració del pol dominant és:
On, A (s) és la funció de transferència no compensada, A és el guany de bucle obert, ώ1, ώ2 i ώ3 són les freqüències en què el guany es desplaça a -20dB, -40dB, -60dB respectivament. El gràfic de Bode següent mostra què passa si la tècnica de compensació del pol dominant s’afegeix a la sortida de l’amplificador operacional, on fd és la freqüència del pol dominant.
2. Compensació de Miller
Una altra tècnica de compensació eficaç és la tècnica de compensació de moliner i és una tècnica de compensació en bucle on s’utilitza un condensador simple amb o sense resistència d’aïllament de càrrega (resistència d’anul·lació). Això significa que un condensador està connectat al bucle de retroalimentació per compensar la resposta de freqüència de l'amplificador operacional.
A continuació es mostra el circuit de compensació dels moliners. En aquesta tècnica, es connecta un condensador a la retroalimentació amb una resistència a través de la sortida.
El circuit és un simple amplificador de retroalimentació negativa amb guany invertit dependent de R1 i R2. El R3 és la resistència nul·la i el CL és la càrrega capacitiva a la sortida de l'amplificador operatiu. CF és el condensador de retroalimentació que s'utilitza per a la compensació. El condensador i el valor de la resistència depenen del tipus d’etapes de l’amplificador, de la compensació de pols i de la càrrega capacitiva.
Tècniques de compensació de freqüències internes
Els amplificadors operatius moderns tenen una tècnica de compensació interna. En la tècnica de compensació interna, es connecta un petit condensador de retroalimentació a l' interior del CI d'amplificador operacional entre els transistors d'emissor comú de les segones etapes. Per exemple, la imatge següent és el diagrama intern del popular amplificador operatiu LM358.
El condensador CC està connectat a través del Q5 i el Q10. És el condensador de compensació (Cc). Aquest condensador de compensació millora l’estabilitat de l’amplificador i, a més, evita l’efecte d’oscil·lació i sonoritat a la sortida.
Compensació de freqüència de l'amplificador operatiu: simulació pràctica
Per entendre la compensació de freqüència de manera més pràctica, intentem simular-la tenint en compte el circuit següent:
El circuit és un simple amplificador de retroalimentació negativa que utilitza LM393. Aquest amplificador operatiu no té cap condensador de compensació incorporat. Anem a simular el circuit en Pspice amb una càrrega capacitiva de 100pF i comprovarem com es durà a terme en baixa i alta freqüència d'operació.
Per comprovar-ho, cal analitzar el guany de bucle obert i el marge de fase del circuit. Però és una mica complicat per al pspice, ja que la simulació del circuit exacte, tal com es mostra més amunt, representarà el seu guany de bucle tancat. Per tant, cal tenir en compte consideracions especials. A continuació s’indica el pas per convertir el circuit anterior per a la simulació de guanys de bucle obert (guany vs fase) en pspice,
- L'entrada està connectada a terra per obtenir la resposta de retroalimentació; s'ignora l'entrada de bucle tancat a la sortida.
- La inversió de l'entrada es divideix en dues parts. Un és el divisor de tensió i un altre és el terminal negatiu de l’ampli operatiu.
- Es canvien el nom de dues parts per crear dos nodes separats i propòsits d’identificació durant la fase de simulació. La secció del divisor de tensió es canvia com a retroalimentació i el terminal negatiu es canvia com a entrada Inv. (Invertir l'entrada).
- Aquests dos nodes trencats estan connectats amb una font de voltatge de 0 V CC. Això es fa perquè, a partir del terme de tensió continuada, tots dos nodes tenen la mateixa tensió, que és essencial perquè el circuit compleixi els requisits de punt de funcionament actuals.
- Afegint la font de tensió amb 1V de l’estímul de corrent altern. Això obliga la diferència de tensió dels dos nodes individuals a convertir-se en 1 durant l’anàlisi de corrent altern. Una cosa és essencial en aquest cas, que la proporció de la retroalimentació i l’entrada d’inversió sigui fiable en el guany de circuit obert dels circuits.
Després de fer els passos anteriors, el circuit té aquest aspecte:
El circuit s’alimenta mitjançant un rail d’alimentació de 15V +/-. Simulem el circuit i comprovem el seu traçat de sortida.
Com que el circuit no té compensació de freqüència, com era d’esperar, la simulació mostra un guany elevat a baixa freqüència i un guany baix a alta freqüència. A més, mostra un marge de fase molt pobre. Vegem quina és la fase de guany de 0 dB.
Com podeu veure fins i tot a 0dB de creixement o creixement d’unitat, l’amplificador operatiu proporciona 6 graus de desplaçament de fase només amb una càrrega capacitiva de 100pF.
Ara improvisem el circuit afegint una resistència de compensació de freqüència i un condensador per crear una compensació de molí a tot l'amplificador operatiu i analitzar el resultat. Es col·loca un 50 ohms de resistència nul·la a través de l'amplificador operacional i de la sortida amb un condensador de compensació de 100 pF.
La simulació està feta i la corba sembla la següent,
La corba de fases ara és molt millor. El desplaçament de fase amb un guany de 0 dB és de gairebé 45,5 graus. L’estabilitat de l’amplificador s’incrementa molt mitjançant la tècnica de compensació de freqüència. Per tant, està comprovat que la tècnica de compensació de freqüència és altament recomanable per a una millor estabilitat de l’op-map. Però l’amplada de banda disminuirà.
Ara entenem la importància de la compensació de freqüència de l’opamp i com s’utilitza en els nostres dissenys Op-Amp per evitar problemes d’inestabilitat. Espero que us hagi agradat llegir el tutorial i aprendre alguna cosa útil. Si teniu alguna pregunta, deixeu-los als nostres fòrums o a la secció de comentaris a continuació.