การชดเชยความถี่ของ op-amp และเหตุใดจึงสำคัญใน op ของคุณ

Operational Amplifiers หรือ Op-Amps ถือเป็นส่วนสำคัญของ Analog Electronic Designs ย้อนกลับไปจากยุคคอมพิวเตอร์อนาล็อก Op-Amps ถูกนำมาใช้สำหรับการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ด้วยแรงดันไฟฟ้าแบบอะนาล็อกดังนั้นจึงเป็นแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการชื่อ จนถึงวันที่ Op-Amps ถูกใช้อย่างกว้างขวางสำหรับการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าการแยกความแตกต่างการรวมการสรุปและสิ่งอื่น ๆ อีกมากมาย ไม่จำเป็นต้องพูดว่าวงจร Operational Amplifier นั้นง่ายมากที่จะนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน แต่ก็มีข้อ จำกัด เล็กน้อยที่มักนำไปสู่ความซับซ้อน

ความท้าทายที่สำคัญคือการปรับปรุงเสถียรภาพของ op-ampในแบนด์วิดท์ที่กว้างของแอปพลิเคชัน วิธีแก้ปัญหาคือการชดเชยแอมพลิฟายเออร์ในแง่ของการตอบสนองความถี่โดยใช้วงจรชดเชยความถี่ข้ามแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ ความเสถียรของเครื่องขยายเสียงขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน ในบทความนี้เรามาทำความเข้าใจถึงความสำคัญของการชดเชยความถี่และวิธีใช้ในการออกแบบของคุณ

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ Op-Amp

ก่อนที่จะเข้าสู่การประยุกต์ใช้แอมพลิฟายเออร์เชิงปฏิบัติการขั้นสูงและวิธีการทำให้แอมพลิฟายเออร์เสถียรโดยใช้เทคนิคการชดเชยความถี่เรามาดูสิ่งพื้นฐานบางประการเกี่ยวกับแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งาน

เครื่องขยายเสียงสามารถกำหนดค่าเป็นการกำหนดค่าแบบวงเปิดหรือการกำหนดค่าวงปิด ในการกำหนดค่าแบบวงเปิดจะไม่มีวงจรป้อนกลับที่เกี่ยวข้อง แต่ในการกำหนดค่าวงปิดเครื่องขยายเสียงต้องการข้อมูลย้อนกลับเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง การปฏิบัติงานอาจมีข้อเสนอแนะเชิงลบหรือข้อเสนอแนะเชิงบวก ถ้าอะนาล็อกเครือข่ายความคิดเห็นทั่วขั้วบวกสหกรณ์แอมป์ก็จะเรียกว่าตอบรับเชิงบวกมิฉะนั้นตัวขยายสัญญาณตอบรับเชิงลบจะเชื่อมต่อวงจรป้อนกลับผ่านขั้วลบ

ทำไมเราต้องมีการชดเชยความถี่ใน Op-Amps?

ลองดูวงจรขยายด้านล่าง มันเป็นวงจร Op-Amp ที่ไม่กลับด้าน วงจรเชื่อมต่อเป็นคอนฟิกูเรชันผู้ติดตามที่ได้รับเอกภาพ

วงจรข้างต้นพบได้บ่อยในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อย่างที่เราทราบกันดีว่าแอมพลิฟายเออร์มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงมากในอินพุตและสามารถให้กระแสไฟฟ้าในเอาต์พุตได้ในปริมาณที่เหมาะสม ดังนั้นจึงสามารถขับเคลื่อนแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้โดยใช้สัญญาณต่ำเพื่อขับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น

แต่กระแสสูงสุดที่ op-amp สามารถส่งมอบเพื่อขับเคลื่อนโหลดได้อย่างปลอดภัยคือเท่าใด? วงจรข้างต้นดีพอที่จะขับเคลื่อนโหลดตัวต้านทานบริสุทธิ์ (โหลดตัวต้านทานในอุดมคติ) แต่ถ้าเราเชื่อมต่อโหลด capacitive กับเอาต์พุต op-amp จะไม่เสถียรและขึ้นอยู่กับค่าของความจุโหลดในกรณีที่เลวร้ายที่สุด op-amp อาจ แม้จะเริ่มสั่น

มาดูกันว่าเหตุใด op-amp จึงไม่เสถียรเมื่อโหลด capacitive เชื่อมต่อกับเอาต์พุต วงจรข้างต้นสามารถอธิบายได้ว่าเป็นสูตรง่ายๆ -

_{CL =} A / 1 + ตูด

_CLเป็นกำไรวงปิดA คืออัตราขยายวงเปิดของเครื่องขยายเสียง

ภาพด้านบนเป็นการแสดงสูตรและวงจรขยายสัญญาณตอบรับเชิงลบ มันเหมือนกับแอมพลิฟายเออร์เชิงลบแบบเดิมที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ ทั้งสองแชร์อินพุต AC บนขั้วบวกและทั้งคู่มีข้อเสนอแนะเหมือนกันในขั้วลบ วงกลมคือทางแยกผลรวมมีสองอินพุตหนึ่งจากสัญญาณอินพุตและอีกตัวที่สองจากวงจรป้อนกลับ เมื่อเครื่องขยายเสียงทำงานในโหมดป้อนกลับเชิงลบแรงดันเอาต์พุตที่สมบูรณ์ของเครื่องขยายเสียงจะไหลผ่านสายป้อนกลับไปยังจุดเชื่อมต่อรวม ที่จุดเชื่อมต่อรวมแรงดันป้อนกลับและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะถูกเพิ่มเข้าด้วยกันและป้อนกลับเข้าไปในอินพุตของเครื่องขยายเสียง

ภาพแบ่งออกเป็นสองขั้นตอนการขยาย ประการแรกแสดงวงจรวงปิดที่สมบูรณ์เนื่องจากเป็นเครือข่ายวงปิดและวงจรวงเปิดของออปแอมป์เนื่องจากแอมป์ที่แสดง A เป็นวงจรเปิดแบบสแตนด์อโลนข้อเสนอแนะจะไม่เชื่อมต่อโดยตรง

เอาต์พุตของทางแยกผลรวมจะถูกขยายเพิ่มเติมโดยอัตราขยายวงเปิดของ op-amp ดังนั้นหากสิ่งที่สมบูรณ์นี้แสดงเป็นรูปแบบทางคณิตศาสตร์ผลลัพธ์ของจุดเชื่อมต่อผลรวมคือ -

Vin - Voutß

วิธีนี้ใช้ได้ผลดีในการเอาชนะปัญหาความไม่เสถียร เครือข่าย RC สร้างเสาที่ความสามัคคีหรืออัตราขยาย 0dB ที่ครอบงำหรือยกเลิกเอฟเฟกต์เสาความถี่สูงอื่น ๆ ฟังก์ชันการถ่ายโอนของการกำหนดค่าขั้วที่โดดเด่นคือ -

โดยที่ A คือฟังก์ชั่นการถ่ายโอนที่ไม่มีการชดเชย A คืออัตราขยายวงเปิด,,1, ώ2และώ3คือความถี่ที่อัตราขยายที่ 20dB, -40dB, -60dB ตามลำดับ พล็อตเป็นลางบอกเหตุด้านล่างแสดงให้เห็นว่าเกิดอะไรขึ้นถ้าเทคนิคการชดเชยเสาที่โดดเด่นจะมีการเพิ่มการส่งออกทั่ว op-amp ที่ FD เป็นความถี่เสาที่โดดเด่น

2. ค่าตอบแทนมิลเลอร์

อีกเทคนิคการชดเชยที่มีประสิทธิภาพคือเทคนิคการชดเชยมิลเลอร์และเป็นเทคนิคการชดเชยแบบอินลูปที่ใช้ตัวเก็บประจุแบบง่ายโดยมีหรือไม่มีตัวต้านทานการแยกโหลด (ตัวต้านทาน Nulling) นั่นหมายความว่ามีการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุในลูปป้อนกลับเพื่อชดเชยการตอบสนองความถี่ของแอมป์

วงจรชดเชยมิลเลอร์ที่แสดงด้านล่าง ในเทคนิคนี้ตัวเก็บประจุจะเชื่อมต่อกับข้อเสนอแนะโดยมีตัวต้านทานผ่านเอาต์พุต

วงจรนี้เป็นแอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับเชิงลบที่เรียบง่ายโดยมีอัตราขยายกลับขึ้นอยู่กับ R1 และ R2 R3 เป็นตัวต้านทานโมฆะและ CL คือโหลดตัวเก็บประจุในเอาต์พุต op-amp CF คือตัวเก็บประจุป้อนกลับซึ่งใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการชดเชย ตัวเก็บประจุและค่าตัวต้านทานขึ้นอยู่กับประเภทของขั้นตอนของแอมพลิฟายเออร์การชดเชยเสาและโหลดตัวเก็บประจุ

เทคนิคการชดเชยความถี่ภายใน

เครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการสมัยใหม่มีเทคนิคการชดเชยภายใน ในเทคนิคการชดเชยภายในตัวเก็บประจุแบบป้อนกลับขนาดเล็กจะเชื่อมต่ออยู่ภายใน op-amp ICระหว่างทรานซิสเตอร์ตัวส่งสัญญาณทั่วไปขั้นที่สอง ตัวอย่างเช่นภาพด้านล่างคือแผนภาพภายในของ op-amp LM358 ยอดนิยม

ตัวเก็บประจุ Cc เชื่อมต่อกับ Q5 และ Q10 มันคือ Capacitor ชดเชย (Cc) ตัวเก็บประจุชดเชยนี้ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของแอมพลิฟายเออร์และป้องกันการสั่นและเสียงเรียกเข้าในเอาต์พุต

การชดเชยความถี่ของ Op-amp - การจำลองเชิงปฏิบัติ

เพื่อให้เข้าใจการชดเชยความถี่ในทางปฏิบัติมากขึ้นลองจำลองโดยพิจารณาจากวงจรด้านล่าง -

วงจรเป็นเครื่องขยายสัญญาณตอบรับเชิงลบอย่างง่ายโดยใช้ LM393 op-amp นี้ไม่มีตัวเก็บประจุชดเชยใด ๆ ในตัว เราจะจำลองวงจรใน Pspiceด้วยโหลด capacitive 100pF และจะตรวจสอบว่าจะทำงานอย่างไรในการทำงานที่มีความถี่ต่ำและความถี่สูง

ในการตรวจสอบสิ่งนี้เราต้องวิเคราะห์อัตราขยายวงเปิดและระยะขอบเฟสของวงจร แต่มันค่อนข้างยุ่งยากสำหรับ pspice เนื่องจากการจำลองวงจรที่แน่นอนดังที่แสดงไว้ด้านบนจะแสดงถึงอัตราขยายวงปิด ดังนั้นจึงต้องมีการพิจารณาเป็นพิเศษ ขั้นตอนในการแปลงวงจรข้างต้นสำหรับการจำลองอัตราขยายวงเปิด (กำไรเทียบกับเฟส) ใน pspice มีการระบุไว้ด้านล่าง

1. อินพุตมีการต่อสายดินเพื่อให้ได้รับการตอบสนองความคิดเห็น อินพุตแบบวงปิดไปยังเอาต์พุตจะถูกละเว้น
2. การป้อนกลับจะแบ่งออกเป็นสองส่วน ตัวหนึ่งคือตัวแบ่งแรงดันและอีกขั้วหนึ่งคือขั้วลบของ op-amp
3. สองส่วนถูกเปลี่ยนชื่อเพื่อสร้างโหนดสองโหนดแยกกันและจุดประสงค์ในการระบุตัวตนในระหว่างขั้นตอนการจำลอง ส่วนแบ่งแรงดันถูกเปลี่ยนชื่อเป็นข้อเสนอแนะและขั้วลบจะเปลี่ยนชื่อเป็นอินพุทอินพุท (การเปลี่ยนอินพุต)
4. โหนดที่ขาดทั้งสองนี้เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า 0V DC สิ่งนี้ทำได้เนื่องจากจากเงื่อนไขของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงโหนดทั้งสองมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากันซึ่งจำเป็นสำหรับวงจรเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของจุดปฏิบัติการ
5. การเพิ่มแหล่งจ่ายแรงดันด้วย 1V ของตัวกระตุ้น AC สิ่งนี้บังคับให้ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าของแต่ละโหนดกลายเป็น 1 ระหว่างการวิเคราะห์ AC สิ่งหนึ่งที่จำเป็นในกรณีนี้คืออัตราส่วนของข้อเสนอแนะและอินพุตกลับด้านขึ้นอยู่กับอัตราขยายวงเปิดของวงจร

หลังจากทำตามขั้นตอนข้างต้นแล้ววงจรจะมีลักษณะดังนี้ -

วงจรขับเคลื่อนโดยใช้รางจ่ายไฟ 15V +/- ลองจำลองวงจรและตรวจสอบพล็อตลางเอาท์พุท

เนื่องจากวงจรไม่มีการชดเชยความถี่ตามที่คาดไว้การจำลองจึงแสดงอัตราขยายสูงที่ความถี่ต่ำและอัตราขยายต่ำที่ความถี่สูง นอกจากนี้ยังแสดงระยะขอบเฟสที่แย่มาก มาดูกันว่าเฟสที่ได้รับ 0dB คืออะไร

อย่างที่คุณเห็นแม้ที่อัตราขยาย 0dB หรือครอสโอเวอร์ที่ได้รับความสามัคคี op-amp ให้การกะระยะ 6 องศาที่โหลด capacitive เพียง 100pF เท่านั้น

ตอนนี้เรามาปรับแต่งวงจรโดยการเพิ่มตัวต้านทานการชดเชยความถี่และตัวเก็บประจุเพื่อสร้างการชดเชยมิลเลอร์ใน op-amp และวิเคราะห์ผลลัพธ์ ตัวต้านทานโมฆะ 50 โอห์มวางอยู่ตรงข้าม op-amp และเอาท์พุทที่มีตัวเก็บประจุชดเชย 100pF

การจำลองเสร็จสิ้นและเส้นโค้งดูเหมือนด้านล่าง

เส้นโค้งเฟสดีขึ้นมากแล้ว การกะระยะที่อัตราขยาย 0dB เกือบ 45.5 องศา เสถียรภาพของเครื่องขยายเสียงจะเพิ่มขึ้นอย่างมากโดยใช้เทคนิคการชดเชยความถี่ ดังนั้นจึงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าแนะนำให้ใช้เทคนิคการชดเชยความถี่เพื่อความเสถียรที่ดีขึ้นของ op-map แต่ Bandwidth จะลดลง

ตอนนี้เราเข้าใจถึงความสำคัญของการชดเชยความถี่ของ opampและวิธีใช้ในการออกแบบ Op-Amp ของเราเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาความไม่เสถียร หวังว่าคุณจะสนุกกับการอ่านบทแนะนำและเรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์ หากคุณมีคำถามใด ๆ ทิ้งไว้ในฟอรัมของเราหรือในส่วนความคิดเห็นด้านล่าง