- Nozioni di base veloci su Op-Amp
- Perché abbiamo bisogno della compensazione della frequenza negli amplificatori operazionali?
- Tecniche di compensazione della frequenza interna
- Compensazione in frequenza dell'amplificatore operazionale - Simulazione pratica
Gli amplificatori operazionali o operazionali sono considerati il cavallo di battaglia dei progetti elettronici analogici. Di ritorno dall'era dei computer analogici, gli amplificatori operazionali sono stati utilizzati per operazioni matematiche con tensioni analogiche da cui il nome amplificatore operazionale. Fino ad oggi gli amplificatori operazionali sono ampiamente utilizzati per il confronto della tensione, la differenziazione, l'integrazione, la somma e molte altre cose. Inutile dire che i circuiti dell'amplificatore operazionale sono molto facili da implementare per scopi diversi ma ha poche limitazioni che spesso portano alla complessità.
La sfida principale è migliorare la stabilità di un amplificatore operazionale in un'ampia larghezza di banda di applicazioni. La soluzione è compensare l'amplificatore in termini di risposta in frequenza, utilizzando un circuito di compensazione della frequenza attraverso l'amplificatore operazionale. La stabilità di un amplificatore dipende fortemente da diversi parametri. In questo articolo capiamo l'importanza della compensazione della frequenza e come usarla nei tuoi progetti.
Nozioni di base veloci su Op-Amp
Prima di entrare direttamente nell'applicazione avanzata degli amplificatori operazionali e su come stabilizzare l'amplificatore utilizzando la tecnica di compensazione della frequenza, esploriamo alcune cose di base sull'amplificatore operazionale.
Un amplificatore può essere configurato come una configurazione ad anello aperto o una configurazione ad anello chiuso. In una configurazione ad anello aperto, non sono associati circuiti di feedback. Ma in una configurazione a circuito chiuso, l'amplificatore necessita di feedback per funzionare correttamente. L'operativo può avere feedback negativo o positivo. Se la rete di feedback analogica attraverso il terminale positivo dell'amplificatore operazionale, si chiama feedback positivo. Altrimenti, gli amplificatori di feedback negativo hanno il circuito di feedback collegato attraverso il terminale negativo.
Perché abbiamo bisogno della compensazione della frequenza negli amplificatori operazionali?
Vediamo il circuito dell'amplificatore di seguito. È un semplice circuito Op-Amp non invertente con feedback negativo. Il circuito è collegato come una configurazione follower a guadagno unitario.
Il circuito sopra è molto comune nell'elettronica. Come tutti sappiamo, gli amplificatori hanno un'impedenza di ingresso molto elevata in ingresso e potrebbero fornire una quantità ragionevole di corrente in uscita. Pertanto, gli amplificatori operazionali possono essere pilotati utilizzando segnali bassi per pilotare carichi di corrente più elevata.
Ma qual è la corrente massima che l'amplificatore operazionale potrebbe fornire per pilotare il carico in sicurezza? Il circuito sopra è abbastanza buono per pilotare carichi resistivi puri (carico resistivo ideale) ma se colleghiamo un carico capacitivo attraverso l'uscita, l'amplificatore operazionale diventerà instabile e basato sul valore della capacità di carico nel caso peggiore l'amplificatore operazionale potrebbe anche iniziare a oscillare.
Esploriamo perché l'amplificatore operazionale diventa instabile quando un carico capacitivo è collegato all'uscita. Il circuito sopra può essere descritto come una semplice formula -
A cl = A / 1 + Aß
Un cl è il guadagno ad anello chiuso. A è il guadagno ad anello aperto dell'amplificatore. Il
L'immagine sopra è una rappresentazione della formula e del circuito dell'amplificatore a feedback negativo. È esattamente identico al tradizionale amplificatore negativo indicato in precedenza. Entrambi condividono l'ingresso CA sul terminale positivo ed entrambi hanno lo stesso feedback sul terminale negativo. Il cerchio è la giunzione sommatoria ha due ingressi, uno dal segnale di ingresso e il secondo dal circuito di feedback. Ebbene, quando l'amplificatore funziona in modalità di feedback negativo, la tensione di uscita completa dell'amplificatore scorre attraverso la linea di feedback fino al punto di giunzione della somma. Alla giunzione sommatoria, la tensione di feedback e la tensione di ingresso vengono sommate e reimmesse nell'ingresso dell'amplificatore.
L'immagine è divisa in due fasi di guadagno. In primo luogo, mostra il circuito a circuito chiuso completo in quanto si tratta di una rete a circuito chiuso e anche il circuito a circuito aperto degli amplificatori operazionali perché l'amplificatore operazionale che mostra A è un circuito aperto autonomo, il feedback non è collegato direttamente.
L'uscita della giunzione sommatoria è ulteriormente amplificata dal guadagno ad anello aperto dell'amplificatore operazionale. Pertanto, se questa cosa completa è rappresentata come una formazione matematica, l'output attraverso la giunzione sommatoria è -
Vin - Voutß
Funziona benissimo per superare il problema di instabilità. La rete RC crea un polo con guadagno unitario o 0dB che domina o annulla l'effetto di altri poli ad alta frequenza. La funzione di trasferimento della configurazione del polo dominante è:
Dove, A (s) è la funzione di trasferimento non compensata, A è il guadagno ad anello aperto, ώ1, ώ2 e ώ3 sono le frequenze in cui l'attenuazione del guadagno è rispettivamente a -20dB, -40dB, -60dB. Il diagramma di Bode di seguito mostra cosa succede se la tecnica di compensazione del polo dominante viene aggiunta all'uscita dell'amplificatore operazionale, dove fd è la frequenza del polo dominante.
2. Compensazione Miller
Un'altra tecnica di compensazione efficace è la tecnica di compensazione miller ed è una tecnica di compensazione in-loop in cui viene utilizzato un semplice condensatore con o senza resistenza di isolamento del carico (resistenza di annullamento). Ciò significa che un condensatore è collegato nel circuito di feedback per compensare la risposta in frequenza dell'amplificatore operazionale.
Di seguito è mostrato il circuito di compensazione del mugnaio. In questa tecnica, un condensatore è collegato al feedback con un resistore sull'uscita.
Il circuito è un semplice amplificatore a retroazione negativa con guadagno invertente dipendente da R1 e R2. R3 è il resistore nullo e CL è il carico capacitivo attraverso l'uscita dell'amplificatore operazionale. CF è il condensatore di feedback che viene utilizzato per scopi di compensazione. Il valore del condensatore e del resistore dipendono dal tipo di stadi dell'amplificatore, dalla compensazione dei poli e dal carico capacitivo.
Tecniche di compensazione della frequenza interna
I moderni amplificatori operazionali hanno una tecnica di compensazione interna. Nella tecnica di compensazione interna, un piccolo condensatore di feedback è collegato all'interno del circuito integrato dell'amplificatore operazionale tra i secondi stadi del transistor a emettitore comune. Ad esempio, l'immagine sotto è il diagramma interno del popolare amplificatore operazionale LM358.
Il condensatore Cc è collegato tra Q5 e Q10. È il condensatore di compensazione (Cc). Questo condensatore di compensazione migliora la stabilità dell'amplificatore e impedisce l'oscillazione e l'effetto di suoneria attraverso l'uscita.
Compensazione in frequenza dell'amplificatore operazionale - Simulazione pratica
Per capire più praticamente la compensazione della frequenza proviamo a simularla considerando il circuito sottostante:
Il circuito è un semplice amplificatore a feedback negativo che utilizza LM393. Questo amplificatore operazionale non ha alcun condensatore di compensazione integrato. Vi simulare il circuito in Pspice con un 100pF di carico capacitivo e Vi controllare come funzionerà in bassa e ad alta frequenza di funzionamento.
Per verificarlo, è necessario analizzare il guadagno ad anello aperto e il margine di fase del circuito. Ma è un po 'complicato per pspice poiché la simulazione del circuito esatto, come mostrato sopra, rappresenterà il suo guadagno a circuito chiuso. Pertanto devono essere prese considerazioni speciali. Il passaggio per convertire il circuito sopra per la simulazione del guadagno ad anello aperto (guadagno vs fase) in pspice è indicato di seguito,
- L'input è messo a terra per ottenere la risposta di feedback; l'input ad anello chiuso all'uscita viene ignorato.
- L'input invertito è suddiviso in due parti. Uno è il partitore di tensione e un altro è il terminale negativo dell'amplificatore operazionale.
- Due parti vengono rinominate per creare due nodi separati e scopi di identificazione durante la fase di simulazione. La sezione del divisore di tensione viene rinominata come feedback e il terminale negativo viene rinominato come ingresso Inv. (Ingresso invertente).
- Questi due nodi interrotti sono collegati a una sorgente di tensione CC 0 V. Ciò viene fatto perché, dal termine di tensione CC, entrambi i nodi hanno la stessa tensione che è essenziale affinché il circuito soddisfi il requisito del punto operativo corrente.
- Aggiungendo la sorgente di tensione con 1 V di stimolo CA. Ciò costringe la differenza di tensione dei due singoli nodi a diventare 1 durante l'analisi AC. Una cosa è essenziale in questo caso, che il rapporto tra feedback e ingresso invertente sia dipendente dal guadagno ad anello aperto dei circuiti.
Dopo aver eseguito i passaggi precedenti, il circuito si presenta così:
Il circuito è alimentato tramite barra di alimentazione 15V +/-. Simuliamo il circuito e controlliamo il suo diagramma di bode di output.
Poiché il circuito non ha compensazione di frequenza, come previsto la simulazione mostra un guadagno elevato a bassa frequenza e un guadagno basso ad alta frequenza. Inoltre, mostra un margine di fase molto scarso. Vediamo qual è la fase a 0dB di guadagno.
Come puoi vedere anche a 0dB di guadagno o crossover di guadagno unitario, l'amplificatore operazionale fornisce 6 gradi di sfasamento con solo un carico capacitivo di soli 100pF.
Ora improvvisiamo il circuito aggiungendo un resistore di compensazione della frequenza e un condensatore per creare la compensazione del mugnaio attraverso l'amplificatore operazionale e analizzare il risultato. Un resistore nullo da 50 Ohm è posizionato attraverso l'amplificatore operazionale e l'uscita con un condensatore di compensazione da 100 pF.
La simulazione è terminata e la curva appare come la seguente,
La curva di fase è molto migliore ora. Lo sfasamento con guadagno 0dB è di quasi 45,5 gradi. La stabilità dell'amplificatore è notevolmente aumentata utilizzando la tecnica di compensazione della frequenza. Pertanto, è dimostrato che la tecnica di compensazione della frequenza è altamente raccomandata per una migliore stabilità dell'op-map. Ma la larghezza di banda diminuirà.
Ora comprendiamo l'importanza della compensazione della frequenza dell'amplificatore operazionale e come usarla nei nostri progetti di amplificatori operazionali per evitare problemi di instabilità. Spero ti sia piaciuto leggere il tutorial e aver imparato qualcosa di utile. Se hai domande, lasciale nei nostri forum o nella sezione commenti qui sotto.