Op-amp'in frekans telafisi ve operasyonunuzda neden önemli olduğu

Operasyonel Amplifikatörler veya Op-Amp'ler, Analog Elektronik Tasarımların iş gücü olarak kabul edilir. Analog bilgisayarlar çağından beri, Op-Amp'ler analog voltajlarla matematiksel işlemler için kullanılmıştır, dolayısıyla operasyonel amplifikatör adı verilmiştir. Bugüne kadar Op-Amp'ler, voltaj karşılaştırması, farklılaştırma, entegrasyon, toplama ve diğer birçok şey için yaygın olarak kullanılmaktadır. Söylemeye gerek yok, İşlemsel Yükselteç devrelerinin farklı amaçlar için uygulanması çok kolaydır, ancak genellikle karmaşıklığa yol açan birkaç sınırlaması vardır.

En büyük zorluk, geniş bir bant genişliğindeki uygulamalarda bir op-amp'in kararlılığını iyileştirmektir. Çözüm, işlemsel amplifikatör boyunca bir frekans kompanzasyon devresi kullanarak amplifikatörü frekans tepkisi açısından telafi etmektir. Bir amplifikatörün kararlılığı büyük ölçüde farklı parametrelere bağlıdır. Bu yazımızda Frekans Kompanzasyonunun önemini ve tasarımlarınızda nasıl kullanılacağını anlayalım.

Op-Amp ile ilgili Hızlı Temel Bilgiler

Operasyonel amplifikatörlerin gelişmiş uygulamasına ve amplifikatörün frekans kompanzasyon tekniğini kullanarak nasıl stabilize edileceğine doğrudan geçmeden önce, operasyonel amplifikatör hakkında birkaç temel şeyi inceleyelim.

Bir amplifikatör, açık döngü konfigürasyonu veya kapalı döngü konfigürasyonu olarak konfigüre edilebilir. Bir de açık-devre bir yapılandırmada, devreler ile ilişkili olan bir geri besleme vardır. Ancak kapalı döngü konfigürasyonunda, amplifikatörün düzgün çalışması için geri bildirime ihtiyacı vardır. Operasyonun olumsuz geri bildirimi veya olumlu geri bildirimi olabilir. Op-amp'in pozitif terminali boyunca geribildirim ağı analogu ise, buna pozitif geri besleme denir. Aksi takdirde, negatif geri besleme amplifikatörlerinin geri besleme devresi negatif terminale bağlanır.

Op-Amp'lerde Frekans Telafisine neden ihtiyacımız var?

Aşağıdaki amplifikatör devresini görelim. Basit bir negatif geri beslemeli ters çevirmeyen Op-Amp devresidir. Devre, bir birlik-kazanç izleyici konfigürasyonu olarak bağlanmıştır.

Yukarıdaki devre elektronikte çok yaygındır. Hepimizin bildiği gibi, amplifikatörlerin giriş boyunca çok yüksek giriş empedansı vardır ve çıkış boyunca makul miktarda akım sağlayabilir. Bu nedenle, işlemsel yükselticiler, daha yüksek akım yüklerini sürmek için düşük sinyaller kullanılarak çalıştırılabilir.

Ancak op-amp'in yükü güvenli bir şekilde sürmek için sağlayabileceği maksimum akım nedir? Yukarıdaki devre, saf dirençli yükleri (ideal dirençli yük) sürmek için yeterince iyidir, ancak çıkışa kapasitif bir yük bağlarsak, op-amp kararsız hale gelecektir ve op-amp'in en kötü durumda yük kapasitansının değerine dayanacaktır. hatta salınmaya bile başlar.

Çıkışa kapasitif bir yük bağlandığında op-amp'in neden kararsız hale geldiğini keşfedelim. Yukarıdaki devre basit bir formül olarak tanımlanabilir -

Bir _{cl =} A / 1 + Aß

Bir _cl, kapalı döngü kazancıdır. A, amplifikatörün açık döngü kazancıdır.

Yukarıdaki görüntü, formül ve negatif geri besleme amplifikatör devresinin bir temsilidir. Daha önce belirtilen geleneksel negatif amplifikatör ile tamamen aynıdır. Her ikisi de pozitif terminalde AC girişini paylaşır ve her ikisi de negatif terminalde aynı geri bildirime sahiptir. Daire, toplama bağlantısının iki girişi vardır, biri giriş sinyalinden ve ikincisi geri besleme devresinden. Amplifikatör negatif geri besleme modunda çalışırken, amplifikatörün tam çıkış voltajı, geri besleme hattından toplama bağlantı noktasına akar. Toplama bağlantısında, geri besleme voltajı ve giriş voltajı birlikte eklenir ve amplifikatörün girişine geri beslenir.

Görüntü iki kazanç aşamasına bölünmüştür. İlk olarak, bu kapalı döngü bir ağ olduğu için tam kapalı döngü devreyi ve ayrıca op-amp açık döngü devresini gösteriyor, çünkü A'yı gösteren op-amp bağımsız bir açık devre, geri besleme doğrudan bağlı değil.

Toplama bağlantısının çıkışı, op-amp açık döngü kazancı ile daha da güçlendirilir. Bu nedenle, bu tam şey matematiksel bir oluşum olarak temsil edilirse, toplama birleşimindeki çıktı -

Vin - Voutß

Bu, istikrarsızlık sorununun üstesinden gelmek için harika çalışıyor. RC ağı, diğer yüksek frekanslı kutupların etkisini baskın veya iptal eden birlik veya 0dB kazançta bir kutup oluşturur. Baskın kutup konfigürasyonunun transfer işlevi -

A (s) telafi edilmemiş transfer fonksiyonu olduğunda, A açık döngü kazancıdır, ώ1, ώ2 ve ώ3 sırasıyla -20dB, -40dB, -60dB'de kazanç düşüşünün olduğu frekanslardır. Aşağıdaki Bode grafiği, baskın kutup kompanzasyon tekniği op-amp çıkışına eklenirse ne olacağını gösterir, burada fd baskın kutup frekansıdır.

2. Miller tazminatı

Diğer bir etkili kompanzasyon tekniği, miller kompanzasyon tekniğidir ve basit bir kapasitörün yük izolasyon direnciyle (Nulling direnci) kullanıldığı veya olmadığı bir döngü içi kompanzasyon tekniğidir. Bu, op-amp frekans yanıtını telafi etmek için geri bildirim döngüsüne bir kapasitörün bağlandığı anlamına gelir.

Miller kompanzasyon devresi aşağıda gösterilmiştir. Bu teknikte, geri beslemeye çıkış boyunca bir dirençle bir kapasitör bağlanır.

Devre, R1 ve R2'ye bağlı olarak ters çevirme kazancına sahip basit bir negatif geri besleme amplifikatörüdür. R3, sıfır dirençtir ve CL, op-amp çıkışı boyunca kapasitif yüktür. CF, kompanzasyon amaçları için kullanılan geri besleme kapasitördür. Kondansatör ve direnç değeri, amplifikatör kademelerinin tipine, kutup kompanzasyonuna ve kapasitif yüke bağlıdır.

İç Frekans Kompanzasyon Teknikleri

Modern operasyonel amplifikatörlerin dahili telafi tekniği vardır. Dahili kompanzasyon tekniğinde, ikinci aşamalar Ortak verici transistörü arasına op-amp IC'nin içine küçük bir geri besleme kondansatörü bağlanır. Örneğin, aşağıdaki görüntü, popüler op-amp LM358'in dahili diyagramıdır.

Cc kapasitör Q5 ve Q10'a bağlanır. Kompanzasyon Kapasitör (Cc) 'dir. Bu kompanzasyon kapasitörü , amplifikatörün kararlılığını artırır ve aynı zamanda çıkış boyunca salınım ve zil etkisini önler.

Op-amp Frekans Telafisi - Pratik simülasyon

Frekans kompanzasyonunu daha pratik bir şekilde anlamak için, aşağıdaki devreyi dikkate alarak simüle etmeye çalışalım -

Devre, LM393 kullanan basit bir negatif geri besleme amplifikatörüdür. Bu op-amp, dahili herhangi bir telafi kapasitesine sahip değildir. Biz olacaktır Pspice devreyi simüle kapasitif bir yük 100pF ve düşük ve yüksek frekanslı bir biçimde çalıştırılabilmesi de nasıl performans kontrol edecektir.

Bunu kontrol etmek için, devrenin açık döngü kazancını ve faz marjını analiz etmek gerekir. Ancak, yukarıda gösterildiği gibi tam devrenin simüle edilmesi kapalı döngü kazancını temsil edeceğinden, pspice için biraz yanıltıcıdır. Bu nedenle, özel hususlar dikkate alınmalıdır. Açık döngü kazanç simülasyonu için yukarıdaki devreyi pspice'de dönüştürme adımı (faza karşı kazanç) aşağıda belirtilmiştir,

1. Giriş, geri bildirim yanıtını elde etmek için topraklanmıştır; Çıkışa kapalı döngü girişi göz ardı edilir.
2. Ters giriş iki bölüme ayrılmıştır. Biri voltaj bölücü ve diğeri op-amp'in negatif terminalidir.
3. Simülasyon aşamasında iki ayrı düğüm ve tanımlama amacıyla iki parça yeniden adlandırılır. Gerilim bölücü bölümü geri besleme olarak yeniden adlandırılır ve negatif terminal Inv-girişi olarak yeniden adlandırılır. (Ters çevirme girişi).
4. Bu iki kırık düğüm, 0V DC voltaj kaynağı ile bağlanır. Bunun nedeni, DC voltajı teriminden her iki düğümün, devrenin mevcut çalışma noktası gereksinimini karşılaması için gerekli olan aynı voltaja sahip olmasıdır.
5. 1V AC uyaran ile voltaj kaynağının eklenmesi. Bu, iki ayrı düğüm voltaj farkını AC analizi sırasında 1 olmaya zorlar. Bu durumda, geri besleme ve ters çevirme girişinin oranının devrelerin açık döngü kazancına bağlı olması önemlidir.

Yukarıdaki adımları yaptıktan sonra devre şuna benzer -

Devre, 15V +/- güç kaynağı rayı kullanılarak çalıştırılır. Devreyi simüle edelim ve çıkış bode grafiğini kontrol edelim.

Devrenin frekans kompanzasyonu olmadığı için, beklendiği gibi simülasyon düşük frekansta yüksek kazanç ve yüksek frekansta düşük kazanç gösteriyor. Ayrıca, çok zayıf faz marjı gösteriyor. Bakalım 0dB kazançta faz nedir.

0dB kazançta veya birim kazanç geçişinde bile görebileceğiniz gibi, op-amp sadece 100pF kapasitif yükte 6 derecelik faz kayması sağlıyor.

Şimdi, op-amp boyunca değirmenci kompanzasyonu oluşturmak ve sonucu analiz etmek için bir frekans kompanzasyon direnci ve kapasitör ekleyerek devreyi doğaçlama yapalım. Op-amp ve çıkışa 100pF'lik bir dengeleme kapasitörüyle 50 Ohm'luk bir boş direnç yerleştirilir.

Simülasyon yapıldı ve eğri aşağıdaki gibi görünüyor,

Faz eğrisi şimdi çok daha iyi. 0dB kazançta faz kayması neredeyse 45,5 derecedir. Amplifikatör kararlılığı, frekans kompanzasyon tekniği kullanılarak oldukça artırılmıştır. Bu nedenle, operasyon haritasının daha iyi kararlılığı için frekans kompanzasyon tekniğinin şiddetle tavsiye edildiği kanıtlanmıştır. Ancak Bant Genişliği azalacaktır.

Şimdi , opampın frekans telafisinin önemini ve istikrarsızlık sorunlarını önlemek için Op-Amp tasarımlarımızda nasıl kullanılacağını anlıyoruz. Eğiticiyi okumaktan zevk aldığınızı ve faydalı bir şeyler öğrendiğinizi umuyoruz. Herhangi bir sorunuz varsa, bunları forumlarımızda veya aşağıdaki yorum bölümünde bırakın.