- Schnelle Grundlagen zum Operationsverstärker
- Warum brauchen wir eine Frequenzkompensation in Operationsverstärkern?
- Interne Frequenzkompensationstechniken
- Frequenzkompensation von Operationsverstärkern - Praktische Simulation
Operationsverstärker oder Operationsverstärker gelten als Arbeitspferd von Analog Electronic Designs. In der Zeit der analogen Computer wurden Operationsverstärker für mathematische Operationen mit analogen Spannungen verwendet, daher der Name Operationsverstärker. Bis heute werden Operationsverstärker häufig für Spannungsvergleich, Differenzierung, Integration, Summierung und viele andere Dinge verwendet. Es ist unnötig zu erwähnen, dass die Operationsverstärkerschaltungen für verschiedene Zwecke sehr einfach zu implementieren sind, aber es gibt nur wenige Einschränkungen, die häufig zu Komplexität führen.
Die größte Herausforderung besteht darin , die Stabilität eines Operationsverstärkers in einer großen Bandbreite von Anwendungen zu verbessern. Die Lösung besteht darin, den Verstärker hinsichtlich des Frequenzgangs zu kompensieren, indem eine Frequenzkompensationsschaltung über dem Operationsverstärker verwendet wird. Die Stabilität eines Verstärkers hängt stark von verschiedenen Parametern ab. In diesem Artikel erfahren Sie, wie wichtig die Frequenzkompensation ist und wie Sie sie in Ihren Entwürfen verwenden.
Schnelle Grundlagen zum Operationsverstärker
Bevor wir uns mit der fortgeschrittenen Anwendung von Operationsverstärkern und der Stabilisierung des Verstärkers mithilfe der Frequenzkompensationstechnik befassen, wollen wir einige grundlegende Dinge über den Operationsverstärker untersuchen.
Ein Verstärker kann als Open-Loop-Konfiguration oder als Closed-Loop-Konfiguration konfiguriert werden. In einer Konfiguration mit offenem Regelkreis sind keine Rückkopplungsschaltungen zugeordnet. In einer Closed-Loop-Konfiguration benötigt der Verstärker jedoch eine Rückmeldung, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Der Betrieb kann negative oder positive Rückmeldungen haben. Wenn das Rückkopplungsnetzwerk über den positiven Anschluss des Operationsverstärkers analog ist, spricht man von positiver Rückkopplung. Andernfalls ist bei Rückkopplungsverstärkern die Rückkopplungsschaltung über den negativen Anschluss angeschlossen.
Warum brauchen wir eine Frequenzkompensation in Operationsverstärkern?
Sehen wir uns die folgende Verstärkerschaltung an. Es ist eine einfache nicht invertierende Operationsverstärkerschaltung mit negativer Rückkopplung. Die Schaltung ist als Einheitsverstärkungsfolgerkonfiguration angeschlossen.
Die obige Schaltung ist in der Elektronik sehr verbreitet. Wie wir alle wissen, haben Verstärker eine sehr hohe Eingangsimpedanz am Eingang und könnten eine angemessene Strommenge am Ausgang liefern. Daher können Operationsverstärker mit niedrigen Signalen angesteuert werden, um Lasten mit höherem Strom anzutreiben.
Aber was ist der maximale Strom, den der Operationsverstärker liefern kann, um die Last sicher anzutreiben? Die obige Schaltung ist gut genug, um reine ohmsche Lasten anzusteuern (ideale ohmsche Last). Wenn wir jedoch eine kapazitive Last über den Ausgang anschließen, wird der Operationsverstärker instabil und basiert im schlimmsten Fall auf dem Wert der Lastkapazität des Operationsverstärkers sogar anfangen zu schwingen.
Lassen Sie uns untersuchen, warum der Operationsverstärker instabil wird, wenn eine kapazitive Last über den Ausgang angeschlossen wird. Die obige Schaltung kann als einfache Formel beschrieben werden -
A cl = A / 1 + Aß
A cl ist die Regelverstärkung. A ist die Open-Loop-Verstärkung des Verstärkers. Das
Das obige Bild ist eine Darstellung der Formel und der Verstärkerschaltung mit negativer Rückkopplung. Es ist genau identisch mit dem zuvor genannten herkömmlichen negativen Verstärker. Beide teilen sich den Wechselstromeingang am positiven Anschluss und beide haben die gleiche Rückkopplung am negativen Anschluss. Der Kreis ist der Summierübergang und hat zwei Eingänge, einen vom Eingangssignal und den zweiten von der Rückkopplungsschaltung. Wenn der Verstärker im Gegenkopplungsmodus arbeitet, fließt die gesamte Ausgangsspannung des Verstärkers durch die Rückkopplungsleitung zum Summierpunkt. An der Summierstelle werden die Rückkopplungsspannung und die Eingangsspannung addiert und in den Eingang des Verstärkers zurückgeführt.
Das Bild ist in zwei Verstärkungsstufen unterteilt. Erstens zeigt es eine vollständige Schaltung mit geschlossenem Regelkreis, da dies ein Netzwerk mit geschlossenem Regelkreis ist, und auch die Schaltung mit offenem Regelkreis der Operationsverstärker, da der Operationsverstärker mit A ein eigenständiger offener Stromkreis ist und die Rückkopplung nicht direkt angeschlossen ist.
Der Ausgang des Summierübergangs wird durch die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers weiter verstärkt. Wenn diese vollständige Sache als mathematische Formation dargestellt wird, ist die Ausgabe über den Summierübergang daher -
Vin - Voutß
Dies funktioniert hervorragend, um das Instabilitätsproblem zu überwinden. Das RC-Netzwerk erzeugt einen Pol mit einer Verstärkung von 1 oder 0 dB, der den Effekt anderer Hochfrequenzpole dominiert oder aufhebt. Die Übertragungsfunktion der dominanten Polkonfiguration ist -
Wobei A (s) die nicht kompensierte Übertragungsfunktion ist, A die Verstärkung im offenen Regelkreis ist, ώ1, ώ2 und ώ3 die Frequenzen sind, bei denen die Verstärkung bei -20 dB, -40 dB bzw. -60 dB abfällt. Das Bode-Diagramm unten zeigt, was passiert, wenn die dominante Polkompensationstechnik über den Operationsverstärkerausgang hinzugefügt wird, wobei fd die dominante Polfrequenz ist.
2. Miller Entschädigung
Eine andere effektive Kompensationstechnik ist die Müllerkompensationstechnik und eine In-Loop-Kompensationstechnik, bei der ein einfacher Kondensator mit oder ohne Lastisolationswiderstand (Nulling-Widerstand) verwendet wird. Dies bedeutet, dass ein Kondensator in der Rückkopplungsschleife angeschlossen ist, um den Frequenzgang des Operationsverstärkers zu kompensieren.
Die Müllerkompensationsschaltung ist unten gezeigt. Bei dieser Technik wird ein Kondensator mit einem Widerstand über dem Ausgang mit der Rückkopplung verbunden.
Die Schaltung ist ein einfacher Gegenkopplungsverstärker mit einer von R1 und R2 abhängigen invertierenden Verstärkung. Der R3 ist der Nullwiderstand und der CL ist die kapazitive Last am Operationsverstärkerausgang. CF ist der Rückkopplungskondensator, der zu Kompensationszwecken verwendet wird. Der Kondensator und der Widerstandswert hängen von der Art der Verstärkerstufen, der Polkompensation und der kapazitiven Last ab.
Interne Frequenzkompensationstechniken
Moderne Operationsverstärker verfügen über eine interne Kompensationstechnik. Bei der internen Kompensationstechnik ist ein kleiner Rückkopplungskondensator innerhalb des Operationsverstärker-IC zwischen den Common-Emitter-Transistoren der zweiten Stufe geschaltet. Das folgende Bild zeigt beispielsweise das interne Diagramm des beliebten Operationsverstärkers LM358.
Der Cc-Kondensator ist über Q5 und Q10 angeschlossen. Es ist der Kompensationskondensator (Cc). Dieser Kompensationskondensator verbessert die Stabilität des Verstärkers und verhindert den Oszillations- und Klingeleffekt am Ausgang.
Frequenzkompensation von Operationsverstärkern - Praktische Simulation
Um die Frequenzkompensation praktischer zu verstehen, versuchen wir, sie unter Berücksichtigung der folgenden Schaltung zu simulieren:
Die Schaltung ist ein einfacher Gegenkopplungsverstärker mit LM393. In diesem Operationsverstärker ist kein Kompensationskondensator eingebaut. Wir werden die Schaltung in Pspice mit einer kapazitiven Last von 100 pF simulieren und prüfen, wie sie im Nieder- und Hochfrequenzbetrieb funktioniert.
Um dies zu überprüfen, muss man die Open-Loop-Verstärkung und den Phasenabstand der Schaltung analysieren. Für das pspice ist es jedoch etwas schwierig, da die Simulation der exakten Schaltung, wie oben gezeigt, die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis darstellt. Daher müssen besondere Überlegungen angestellt werden. Der Schritt zum Konvertieren der obigen Schaltung für die Verstärkungssimulation im offenen Regelkreis (Verstärkung gegen Phase) in pspice ist unten angegeben.
- Der Eingang ist geerdet, um die Rückkopplungsantwort zu erhalten. Eingang zu Ausgang mit geschlossenem Regelkreis wird ignoriert.
- Das Invertieren der Eingabe besteht aus zwei Teilen. Einer ist der Spannungsteiler und ein anderer ist der negative Anschluss des Operationsverstärkers.
- Zwei Teile werden umbenannt, um während der Simulationsphase zwei separate Knoten und Identifikationszwecke zu erstellen. Der Spannungsteilerabschnitt wird in Rückkopplung umbenannt und der negative Anschluss wird in Inv-Eingang umbenannt. (Eingabe invertieren).
- Diese beiden defekten Knoten sind mit einer 0-V-Gleichspannungsquelle verbunden. Dies geschieht, weil ab dem Begriff der Gleichspannung beide Knoten die gleiche Spannung haben, die für die Schaltung wesentlich ist, um die aktuelle Betriebspunktanforderung zu erfüllen.
- Hinzufügen der Spannungsquelle mit 1 V des Wechselstromreizes. Dies zwingt die Spannungsdifferenz der beiden einzelnen Knoten, während der Wechselstromanalyse 1 zu werden. In diesem Fall ist es wichtig, dass das Verhältnis von Rückkopplung und invertierendem Eingang von der Verstärkung des offenen Regelkreises abhängt.
Nachdem Sie die obigen Schritte ausgeführt haben, sieht die Schaltung folgendermaßen aus:
Die Schaltung wird über eine 15V +/- Stromversorgungsschiene mit Strom versorgt. Lassen Sie uns die Schaltung simulieren und ihr Ausgangs-Bode-Diagramm überprüfen.
Da die Schaltung erwartungsgemäß keine Frequenzkompensation aufweist, zeigt die Simulation eine hohe Verstärkung bei niedriger Frequenz und eine niedrige Verstärkung bei hoher Frequenz. Es zeigt auch einen sehr schlechten Phasenabstand. Mal sehen, wie die Phase bei 0 dB Verstärkung ist.
Wie Sie selbst bei einer Frequenzweiche von 0 dB oder einer Verstärkung von 1 sehen können, bietet der Operationsverstärker eine Phasenverschiebung von 6 Grad bei nur 100 pF kapazitiver Last.
Lassen Sie uns nun die Schaltung improvisieren, indem wir einen Frequenzkompensationswiderstand und einen Kondensator hinzufügen, um eine Müllerkompensation über den Operationsverstärker zu erzeugen und das Ergebnis zu analysieren. Ein 50 Ohm Nullwiderstand wird über den Operationsverstärker und den Ausgang mit einem 100pF-Kompensationskondensator gelegt.
Die Simulation ist abgeschlossen und die Kurve sieht wie folgt aus:
Die Phasenkurve ist jetzt viel besser. Die Phasenverschiebung bei 0 dB Verstärkung beträgt fast 45,5 Grad. Die Verstärkerstabilität wird unter Verwendung der Frequenzkompensationstechnik stark erhöht. Daher ist erwiesen, dass die Frequenzkompensationstechnik für eine bessere Stabilität der Op-Map dringend empfohlen wird. Die Bandbreite nimmt jedoch ab.
Jetzt wissen wir, wie wichtig die Frequenzkompensation von Opamp ist und wie wir sie in unseren Op-Amp-Designs verwenden können, um Instabilitätsprobleme zu vermeiden. Ich hoffe, Sie haben das Tutorial genossen und etwas Nützliches gelernt. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese in unseren Foren oder im Kommentarbereich unten.