Jak řídit velké kapacitní zátěže s obvodem Op Amp
Zjistěte více o kompenzaci kapacitního zatížení.
Existují aplikace, kde operační zesilovač pohání vysokou kapacitní zátěž – typickými příklady jsou vzorkovací a přídržné zesilovače, detektory špiček, koaxiální ovladače a ovladače pro určité typy A / D (analogově-digitálních) převodníků.
Kapacitní zátěže mají tendenci destabilizovat obvody záporné zpětné vazby kvůli polaritě tvořené výstupním odporem poruchového zesilovače a kapacitní zátěží. Tento pól, který je ve zpětnovazební smyčce, Fázové zpožděnínarušením fázové rezervy systému během dopravní špičky Na vaši AC odpověď a bzučet dočasně nebo dokonce absolutně kmitání.
podpůrné informace
Než se budeme podrobně věnovat tomuto zdroji nestability, pojďme rychle prozkoumat základy stability obvodu.
Pochopení stability obvodu
Pojem stability a nestability obvodu ilustrujeme na příkladu neinvertujícího zesilovače zobrazeného na obrázku 1 (a) níže.
Obrázek 1. Grafické zobrazení (a) neinvertujícího zesilovače a (b) zesílení smyčky | T |.
Neinvertující zesilovač v tomto příkladu.Jakýkoli signál injektovaný do vstupního portu zesilovače je nejprve zesílen ziskem otevřené smyčky A a poté zmírněn faktorem zpětné vazby
Rovnice 1
Proto celkový zisk Zkušený vhodným signálem procházejícím smyčkou zisk smyčky, je-dir
T = aβ
Rovnice 2
Přepis na T = a/(jeden /β)vynásobte 20 a vezměte logaritmy a převeďte je na decibely,
|T| dB = |A| dB – | jeden /β| dB
ukazuje, že můžeme vizualizovat decibelový graf |T| Tak jako rozdíl mezi decibelovými grafy |A| a |jeden/β|. To je znázorněno na obrázku 1 (b) v případě produktu s operačním zesilovačem s pevným ziskem pásma, což je nejběžnější typ operačního zesilovače.
Frekvence FX, kde se obě křivky vhodně protínají průchod Frekvencehraje důležitou roli, protože poskytuje kvantitativní údaj o stabilitě obvodu. fázové rozpětí Metr, definováno jako
φmetro = 180 ° + ph
JE[T(jfX)]
Rovnice 3
kde ph[T([T(jfX)]představuje jeviště T na FX,
ph
JE[T (jfX)]= ph
JE[una(jfX)]+ ph
JE[β(jfX) | = ph
El[una(jfX)]- ph[1/[1/β(jfX) |
Para el ejemplo de polo único mostrado, ph[1/[1/β]= 0; ph
JE[una]Začíná mezi 0 ° a DC, klesne na -45 ° polární frekvence Fseconda má tendenci k –90 ° asymptoticky při vyšších frekvencích. U recenze je tomu tak. Metr ≅ 180 ° – 90 ° = 90 °. Střídavé a přechodné odezvy tohoto obvodu budou podobné jako u běžného obvodu. RC síť.
Ale, Metr Pokud je z nějakého důvodu upuštěno, zobrazí se AC odpověď během dopravní špičky pro Metr ≤ 65,5 ° a zobrazí přechodnou odezvu bzučet pro Metr 76,3 °. podle Metr = 45 °, obvod vykazuje špičku 2,4 dB a zní přes 23%.
Kapacitně nabitý obvod operačního zesilovače
Nyní obrátíme naši pozornost na kapacitní kapacitní obvod na obrázku 2.
Obrázek 2. Kapacitní zátěž operační zesilovač obvod
Tento obrázek jasně ukazuje výstupní odpor. ro Interní pro operační zesilovač Dobře navržený obvod bude mít R1 + R2 >> roabychom mohli ignorovat načtěte výstupní uzel ze strany zpětné vazby a řekněte ro a CL nastavuje frekvenci pólů
Rovnice 4
Můžeme zkoumat účinek tohoto pólu ze dvou různých, ale ekvivalentních perspektiv, takže obrázek 3 uvidíme jako demonstraci.
Obrázek 3. Kombajn ro-DOL síť (a) se zesilovačem a (b) se zpětnou vazbou.
- Na obrázku 3 (a) kombinujeme ro–potomstvo Síť se samotným zesilovačem z hlediska zpětnovazební sítě R1-R2Tato kombinace je a kompozitní zesilovač se ziskem otevřené smyčky
Je zřejmé, že zisk smyčky. T Teď jsou dva polární frekvence, Fsecond a Fpagkaždý přispívá k ph
JE[T(jfX)]Fázový posun blížící se –90 °, takže obvod bude vykazovat fázový okraj blížící se nule, s netolerovatelným vrcholem a zabarvením obecně.
- Na obrázku 3 (b) kombinujeme síť ro-CL se samotnou sítí zpětné vazby, takže z pohledu zdroje připojeného k zesilovači se zdá, že tato kombinace má složený faktor zpětné vazby
Jak plánujeme | jeden /βdo|, polární frekvence Fpag tam je prakticky nulová frekvence. Vzhledem k tomu, že nyní máme ph
JE[T(jfX)]= ph
JE[una(jfX)]- ph[1/[1/βdo(jfX)], s ph
JE[una(jfX)]Blíží se -90 ° a ph[1/[1/βdo(jfX)]Když se blížíme k + 90 °, stále máme systém s fázovým okrajem blízkým nule.
Frekvenční kompenzace
Aby obvod fungoval správně, potřebujeme Změna zisk vaší smyčky k obnovení přijatelné marže fáze, proces zvaný frekvenční posun. Populární schéma na obrázku 4 používá malou sérii rezistorů. Rs výstupní pin zesilovače potomstvoa malá kapacita zpětné vazby. doF vyladěn tak, aby neutralizoval fázový posun, aby poskytoval vysokofrekvenční bypass od výstupního pinu k opačnému vstupnímu pinu. Fpag.
Obrázek 4. Populární schéma kompenzace frekvence pro obvod na obrázku 2.
Účel tohoto křivka dolů rostoucí část | jeden /βdo| Křivka na obrázku 2 (b) | jeden /β| Víme, že křivka na obrázku 1 (b) poskytuje fázový okraj asi 90 °. K tomu musíme uložit dvě podmínky:
- Vysokofrekvenční asymptota, stejný nízkofrekvenční asymptota, druhá 1 + R2/R1. Vzhledem k tomu, že při dostatečně vysokých frekvencích působí oba kondenzátory jako zkraty, R1–R2 Síť je deaktivována, takže vysokofrekvenční asymptota se změní na 1+ ro/Rs (Pamatujte, nepoužívejte dobře navržený obvod. R1–R2 síť). 1 +, aby byly asymptoty stejné ro/Rs = 1 + R2/R1nebo
Rovnice 5
- S Rs místo toho frekvence pólu ve smyčce,
Velmi, doF vytvořit vysoké hřiště udělat–R kombinovaná síť R1||R2 (opět předpokládáme dobře navržený operační zesilovací obvod. R1||R2 >> ro||Rs), tedy polární frekvence
Přejeme si fázi vedení zahájenou doF na deaktivovat zpoždění kvůli potomstvo. Dosahujeme toho zavedením [1]
Místo předchozích výrazů F1 a F2 a vyřešit doF dává
Rovnice 6
Rovněž frekvence -3 dB zisk uzavřené smyčky [1]
Rovnice 7
Ověření pomocí PSpice
Chtěli bychom ověřit výše uvedené body pomocí příkladu na obrázku 5. R2 = 2R1 = 20 kΩ a potomstvo = 100 nF. Na makropodelu PSpice 741 ro = 50, takže k výpočtu použijeme rovnice 5 a 6 (viz výše) Rs = 25 Ω a doF = 562,5 pF.
Obrázek 5. Obvod PSpice pro vykreslení zisku otevřené smyčky a a 1 /.
Nejprve ověřme, že kompenzace účinně zplošťuje křivku 1 / β. Chcete-li vizualizovat situaci z hlediska interního zdroje operačního zesilovače, výstupní odpor ro Vyjděte ven a pod testovací stres. VT, Jak je znázorněno. Spuštění okruhu jako první Rs = 0 a doF = 0, rostoucí jeden /β Křivka na obrázku 6 je A Křivka na 100,4 kHz, kde najdeme ph
JE[una]≅ – 93,3 ° a ph[1/[1/β]≅ + 72,4 °. Výsledkem je, že ph
JE[T]= ph
JE[una]- ph[1/[1/β]= – 93,3 ° – (+ 73,4 °) = -165,7 °, potom rovnice dává 3 Metr = 14,3 °, jak je znázorněno na obrázku 8 (níže), recept na nesnesitelný hřeben a zabarvení.
Obr. Schémata získaná pomocí obvodu na obrázku 5. Tady, a = V (OA) / V (T) a 1 / β = V (T) / V (N).
Pak znovu spustíme PSpice. Rs a doF místo toho, jak je znázorněno, a rovina 1 /β protínající se křivka A Křivka na 326,2 kHz, kde ph
JE[T]= ph
JE[una]- ph[1/[1/β]= – 100,7 ° – 0 ° = – 100,7 °, takže teď Metr = 180 ° – 100,7 ° = 79,3 °, mnohem lepší rozpětí. Kompenzované odpovědi jsou uvedeny na obrázku 8. Rovnice 7 předpovídá frekvenci –3 dB 21,2 kHz, která se blíží naměřené hodnotě 21,1 kHz. Mějte na paměti, že AC reakce v uzavřené smyčce má bipolární frekvenci 21,2 kHz a 326,2 kHz.
Obrázek 7. Obvod PSpice pro vykreslování střídavé odezvy uzavřené smyčky. Přechodové odezvy uzavřené smyčky je dosaženo změnou vstupního zdroje v krocích po 1,0 V.
Obr. Uzavřená smyčka (a) AC odezvy ab) Přechodné odezvy získané pomocí nekompenzovaných a kompenzovaných verzí simulačního obvodu.
výsledek
Tento článek zkoumal, jak může velká kapacitní zátěž snížit stabilitu zesilovače negativní zpětné vazby. Kompenzace lze dosáhnout přidáním rezistoru a kondenzátoru a článek poskytuje metodu výpočtu příslušných hodnot pro tyto komponenty.
Je třeba poznamenat, že operační zesilovač je specifikován svou výstupní impedancí. ronení vždy známým parametrem; navíc může být reaktivní při vysokých frekvencích. V důsledku toho by výše uvedené rovnice měly být brány jako výchozí bod, po kterém může návrhář zjistit, že je nutné upravit počáteční hodnoty, aby se optimalizoval obvod pro konkrétní dotyčnou aplikaci.
Reference
[1] Design s operačními zesilovači a analogovými integrovanými obvody, 4. vydání, Dr. Sergio Franco
