Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PLC Fatek
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Opornik we wtórniku napięciowym - po co on tam jest?

ghost666 03 Lut 2016 12:31 3741 2
  • Autor artykułu pisze, że za każdym razem, gdy zajmuje się analizowaniem schematu tworzonego przez młodego projektanta, zadaje mu pytania "dlaczego" dotyczące poszczególnych elementów: dlaczego dany element został wykorzystany w układzie, jak zostały dobrane jego wartości, dlaczego umieszczony został w danym miejscu na PCB, itd. Jeśli potrafimy odpowiedzieć na każde z tak zadanych pytań, wtedy możemy pochwalić się pełnym zrozumieniem zasady działania projektowanego przez nas układu elektronicznego.

    Na przykład taki rezystor w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego skonfigurowanego jako wtórnik napięciowy. Ten element może być sztandarowym przykładem prowokowania do zadania pytania dlaczego? Na rysunku 1 zaprezentowano schemat takiego wtórnika z oznaczonym rezystorem, o który pytamy w tym artykule.

    Opornik we wtórniku napięciowym - po co on tam jest?
    Rys.1: Wzmacniacz operacyjny skonfigurowany do pracy jako wtórnik napięciowy - bufor - z opornikiem w pętli sprzężenia zwrotnego.


    Smutna prawda jest taka, że bardzo często projektanci nie wiedzą w sumie, jaką rolę spełnia ten rezystor, oznaczony R2 na powyższym schemacie. Być może widzieli go wcześniej w takich układach i po prostu odruchowo umieszczają go tam w każdym kolejnym buforze. Jednakże rezystor ten ma szereg zastosowań, o których warto wiedzieć. Czasami stosuje się go w aplikacjach z sygnałami o relatywnie niskiej częstotliwości (poniżej 50 MHz) do usuwania offsetu stałoprądowego pojawiającego się przez prąd polaryzacji wejścia wzmacniacza operacyjnego, jednakże tak na prawdę nie jest to zbyt efektywne rozwiązanie tego problemu. Rezystor R2 zapewnia także pewien stopień ochrony wejścia odwracającego układu w sytuacji wyładowania elektrostatycznego. W przypadku niektórych rodzajów op-ampów, takich jak układu z wejściem skonstruowanym w technologii JFET, rezystor ten zapewnia mniejsze zniekształcenia sygnału, gdyż układ taki pracuje najlepiej, gdy impedancje dla obu wejść wzmacniacza są podobne.

    Jednakże, jeśli nie zrozumiemy dokładnie, co robi taki element, nie jesteśmy w stanie poprawnie dobrać jego rezystancji, co może powodować, że układ będzie działał niestabilnie. Niezależnie jaka jest przyczyna, dla jakiej instalujemy R2, dobrze jest wiedzieć, jak wpływa on na pracę bufora, aby dobrać go w sposób zapewniający stabilną pracę op-ampa w tym układzie. W tym celu przyjrzyjmy się pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego, zaznaczonej na rysunku 2.

    Opornik we wtórniku napięciowym - po co on tam jest?




    Rys.2: Pojemności wejściowe wzmacniacza operacyjnego pokazane na schemacie z rysunku 1.


    Rezystor R2 formuje filtr dolnoprzepustowy na wejściu odwracającym wraz z pojemnością współbieżną wejść CCM2 i pojemnością różnicową CDM. Taki filtr znajdujący się w pętli sprzężenia zwrotnego układu spowoduje powstanie miejsca zerowego na funkcji wzmocnienia układu przy częstotliwości równej:

    $$f_z = \frac {1}{2\pi R_2(C_{CM2}||C_{DM})}$$ (1)


    Jeśli to miejsce zerowe, będzie znajdować się powyżej granicznego wzmocnienia op-ampa, oznaczonego jako fz(2) na rysunku 3, to nie będzie ono wpływało na stabilność działania układu, jednakże jeśli miejsce zerowe wystąpi przy niższej częstotliwości, jak na przykład fz(1), to zależność wzmocnienia szumu od częstotliwości przetnie się z krzywą wzmocnienia układu w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego z nachyleniem większym niż 20 dB/dekadę. Taka sytuacja wskazywać może na pojawienie się problemów ze stabilnością układu.

    Opornik we wtórniku napięciowym - po co on tam jest?
    Rys.3: Krzywe wzmocnienia op-ampa w otwartej pętli sprzeżenia (linia czerwona) i wzmocnienia szumu w buforze napięciowym (linia niebieska).


    Przesunięcie fazy spowodowane tym miejscem zerowym zacznie mieć miejsce dekadę poniżej częstotliwości fz, zatem nasz układ, aby stabilnie działać, musi spełnić zależność:

    $$f_z \geq 10f_{CEW}$$ (2)


    Jeśli teraz podstawimy to fz do równania (1), możemy oszacować maksymalną wartość rezystancji opornika R2, przy której układ działać będzie stabilnie:

    $$\frac {1}{2\pi R_2(C_{CM2}||C_{DM})} \geq 10f_{CEW}$$ (3)

    $$\frac {1}{20\pi f_{CEW}(C_{CM2}||C_{DM})} \geq R_2$$ (4)


    Rozumiemy teraz teorię stojącą za opisywanym zjawiskiem. Spróbujmy prześledzić doświadczalnie tą sytuację. W tym celu posłużymy się przykładowym wzmacniaczem - OPA172 - skonfigurowanym jako wtórnik napięciowy. Częstotliwość graniczna pracy tego op-ampa wynosi 10 MHz, a pojemności współbieżna i różnicowa po 4 pF. Wykorzystując równanie (4), wyliczyć możemy na tej podstawie maksymalną wartość R2:

    $$\frac {1}{20\pi f_{CEW}(C_{CM2}||C_{DM})} = \frac {1}{20\pi (10 MHz) (8 pF)} = 198,9 \geq R_2$$


    Korzystając z symulatora TINA-TI przeprowadzono symulację marginesu fazy. Na rysunku 4 zaprezentowano schemat wykorzystany w tej symulacji. W pętlę sprzężenia zwrotnego tego układu wstawiono dodatkowo indukcyjność L1 i źródło napięciowe AC VG1. Wzmocnienie w pętli sprzężenia zwrotnego mierzone jest dla wyjścia, oznaczone jest etykietą LG. Margines fazy mierzony jest dla wzmocnienia pętli równego 0 dB.

    Opornik we wtórniku napięciowym - po co on tam jest?
    Rys.4: Model oparty o OPA172 jako bufor wykorzystany do symulacji w programie TINA-TI.


    Rysunek 5 pokazuje wykres marginesu fazy dla zwiększającej się wartości rezystancji R2. Niebieska linia na wykresie reprezentuje wartość rezystancji wyznaczoną równaniem (5), powyżej. Poniżej tej granicy spadek marginesu fazy jest niewielki, dociera do około 62° przy R2 = 200 Ω. Dalej margines fazy spada bardzo szybko.

    Opornik we wtórniku napięciowym - po co on tam jest?
    Rys.5: Wykres marginesu fazy bufora na OPA172 w funkcji rezystancji opornika R2.


    Należy pamiętać, że jak w przypadku każdej symulacji, także ta nie bierze pod uwagę wartości pasożytniczych w układzie. Pasożytnicze pojemności wprowadzane przez fizyczną płytkę drukowaną będą w stanie dalej pogarszać stabilność działania wtórnika. Projektując układ, należy koniecznie o tym pamiętać.

    Powyższy artykuł pozwolił na wskazanie, jakie problemy powodować może opornik w pętli sprzężenia zwrotnego wtórnika napięciowego. Za każdym razem, gdy chcemy wstawić w to miejsce rezystor, musimy odpowiedzieć sobie na pytanie, czy jego dodanie nie spowoduje problemów ze stabilnością układu. Niezależnie od powodów jego dodania, musimy porównać wartość opornika, jaki chcemy dodać lub wyliczyliśmy w dowolny sposób dla naszej aplikacji, z wyznaczoną graniczną rezystancją dla opornika, który może powodować problemy ze stabilnym funkcjonowaniem układu wtórnika. Jeśli wartość rezystancji, jaką chcemy dodać, jest zbyt duża, należy dobrze zastanowić się, czy jest to warte pogorszenia stabilności.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/07/15/resistors-in-the-feedback-of-a-buffer-ask-why


    Fajne!
  • Semicon
  • #2 03 Lut 2016 19:48
    Imekxus
    Poziom 17  

    Cytat:
    Jeśli to miejsce zerowe, będzie znajdować się powyżej granicznego wzmocnienia op-ampa, oznaczonego jako fz(2) na rysunku 3

    myślałem, że to niebieskie to wzmocnienie szumu, a tutaj napisałeś, że punkt fz(2) to graniczne wzmocnienie op-ampa, czyli jakie? jaki jest warunek na granicę? spadek 3db? przecięcie 0dB?

  • Semicon
  • #3 03 Lut 2016 19:49
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Imekxus napisał:
    Cytat:
    Jeśli to miejsce zerowe, będzie znajdować się powyżej granicznego wzmocnienia op-ampa, oznaczonego jako fz(2) na rysunku 3

    myślałem, że to niebieskie to wzmocnienie szumu, a tutaj napisałeś, że punkt fz(2) to graniczne wzmocnienie op-ampa, czyli jakie? jaki jest warunek na granicę? spadek 3db? przecięcie 0dB?


    Wzmocnienie równe 1 V/V.