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

Jak ustabilizować op-amp?

ghost666 25 Paź 2017 18:39 1710 1
  • Obciążenia pojemnościowe mogą powodować niestabilną pracę wzmacniacza operacyjnego (op-ampa), co powoduje szereg negatywnych zjawisk: przesterowywanie wyjścia, wzbudzanie się, długie czasy stabilizacji, a w skrajnych przypadkach - stałe oscylacje na wyjściu. Dzieje się tak, ponieważ pojemność na wyjściu wraz z impedancją wyjściową wzmacniacza tworzą dodatkowy biegun w funkcji odpowiedzi układu z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego (Aol), która redukuje (Aol x ?) margines fazy naszego układu poniżej akceptowalnego w systemie poziomu.

    W wielu książkach znaleźć możemy dokładne opisy i analizy metod kompensacji pojemności wejściowej, które stabilizują wzmacniacz sterujący obciążeniem pojemnościowym. W poniższym artykule przyjrzymy się trzem podstawowym układom kompensacji, które można łatwo samodzielnie zestawić i przetestować w domowym warsztacie wykorzystując płytkę uniwersalną lub dedykowany moduł, np. tak jak DIYAMP-EVM od Texas Instruments.

    Rezystor izolujący wyjście

    Najczęstszą metodą, jak i najprostszym układem jaki możemy zastosować jest rezystor izolujący wyjście układu od obciążenia pojemnościowego - $$R_{ISO}$$. Opornik taki dodaje miejsce zerowe w funkcji AoL x ?, co redukuje problem przesunięcia fazy w biegunie i charakterystyka powraca do nachylenia 20 dB/dekadę. Jak pokazano na rysunku 1 zastosowanie tego układu pozwala uzyskać stabilny margines fazy na poziomie 60 stopni, dzięki umieszczeniu zera funkcji przy lub powyżej częstotliwości gdzie obciążona krzywa Aol wynosi 20 dB. Przesunięcie zera w wyższe częstotliwości zmniejsza margines fazy, ale umożliwia lepsze tłumienie odpowiedzi układu. Główną wadą tego rozwiązania jest jednakże spadek napięcia na oporniku izolującym układ, który redukuje precyzję stałoprądową układu podczas sterowania napięciem na obciążeniu.

    Jak ustabilizować op-amp?
    Rys.1. Kompensacja pojemności obciążenia z pomocą opornika $$R_{ISO}$$.


    Rezystor izolujący plus podwójna pętla sprzężenia

    Aby rozwiązać problem redukcji precyzji napięciowej układu z opornikiem izolującym wyjście, można do układu dodać drugą pętlę sprzężenia zwrotnego. Jak sama nazwa wskazuje, tego rodzaju układ posiada dwie pętle sprzężenia zwrotnego, zamiast - klasycznie - jednej. Jedna pętla - sprzężona DC - biegnie przez opornik RF, natomiast druga - sprzężona AC - przez kondensator CF. Dzięki temu opornik izolujący wyjście znajduje się wewnątrz jednej pętli sprzężenia zwrotnego.

    Na rysunku 2 zaprezentowano schemat ideowy takiego układu wraz wynikami pomiarów wzmocnienia i fazy w funkcji częstotliwości. Układ ten, aczkolwiek pozwala na osiągnięcie wyższej precyzji DC układu, to częściowo niwelując wpływ opornika izolującego powoduje, że czasy stabilizacji wyjścia są niższe.





    Jak ustabilizować op-amp?
    Rys.2. Układ z opornikiem izolującym i podwójną pętlą sprzężenia zwrotnego.


    Rezystor izolujący i podwójna pętla sprzężenia z dodatkowym opornikiem

    Trzecią metodą kompensacji obciążenia pojemnościowego, która pozwala na poprawę precyzji DC układu i poprawę odpowiedzi impulsowej jest dodanie opornika - $$R_{Fx}$$ do sprzęgniętej AC pętli sprzężenia zwrotnego. Dodanie szeregowego opornika do kondensatora w pętli sprzężenia zwrotnego powoduje, że wzmocnienie szumu w pętli (1/?) zwiększa się i wypłaszcza przy wyższych częstotliwościach do poziomu równego $$1 + \frac {R_{Fx}} {R_{F}}$$. Zwiększenie poziomu szumu może być paradoksalnie pomocne w skompensowaniu obciążeń pojemnościowych, zmniejszyć częstotliwość przecięcia charakterystyk i poprawić margines fazy jak i ogólną impedancję wyjściową układu. Aby układ był stabilny, odpowiedź 1/? musi wypłaszczać się w zakresie wyższych częstotliwości, zanim przetnie się z krzywą Aol - wszystko, aby uzyskać nachylenie charakterystyki na poziomie 20 dB/dekadę. Na rysunku 3 zaprezentowano schemat układu wyposażonego w tego rodzaju kompensacje.

    Jak ustabilizować op-amp?
    Rys.3. Układ z opornikiem izolującym i podwójną pętlą sprzężenia zwrotnego z dodanym opornikiem.


    Na rysunku 4 porównano odpowiedź impulsową na schodek napięcia w reżimie małych sygnałów tak na wejściu (Vo) jak i wyjściu (VOUT) układu. Układ z samym opornikiem izolującym prezentuje typowe, powolne narastanie charakterystyczne dla nadmiernie tłumionego sygnału. Prezentuje on co najmniej średni czas stabilizacji wyjścia. Układ, który wyposażono dodatkowo w drugą pętlę sprzężenia zwrotnego dla sygnałów AC ma zaokrąglone przebiegi z lekkim przesterowaniem sygnału na wyjściu i długawym 'ogonem' stabilizacji sygnału - czas stabilizacji sygnału na wyjściu jest istotnie większy niż w pierwszym przypadku. Z kolei trzeci układ prezentuje niewielkie, pojedyncze przesterowanie wyjścia, jak w poprzednim przypadku ale następnie bardzo szybko się stabilizuje, z prędkością podobną jak układ z samym rezystorem izolującym wyjście.

    Jakkolwiek przesterowanie na wyjściu trzeciego układu wyglądać może niepokojąco, to jest ono wynikiem złożonej natury układu i umiejscowienia biegunów i zer, które mają wpływ na funkcję przejścia układu. Nie oznacza to w żaden sposób, że układ jest niestabilny 0-wy margines fazy jest zachowany, a na przebiegu zobaczyć możemy, że przesterowanie nie jest periodyczne i nie towarzyszą mu żadne oscylacje, które normalnie wiązane mogą być z niestabilnością układu.

    Jak ustabilizować op-amp?
    Rys.4. Porównanie odpowiedzi prezentowanych układów na skok jednostkowy.


    Z kolei na rysunku 5 zaprezentowano porównanie gęstości spektralnej szumu we wszystkich trzech opisywanych układach. Najniższy szum prezentuje układ z samym tylko opornikiem izolującym. Minimalnie większy szum pokazuje układ po dodaniu drugiej pętli sprzężenia zwrotnego. Szum istotnie wzrasta, gdy do pętli tej dodamy opornik RFx.

    Jak ustabilizować op-amp?
    Rys.5. Spektralna gęstość szumu we wszystkich trzech prezentowanych układach.


    Działanie poszczególnych trzech układów można łatwo sprawdzić wykorzystując np. płytkę stykową lub dedykowany do tego eksperymentu moduł Texas Instruments DIYAMP-EVM. Na rysunbku 6 pokazano schemat układu w tym module, a w tabeli 1 pokazano konfigurację poszczególnych elementów do realizacji wszystkich trzech omawianych układów.

    Jak ustabilizować op-amp?
    Rys.6. Układ z opornikiem i dwoma pętlami sprzężenia zrealizowany na płytce DIYAMP-EVM.


    Jak ustabilizować op-amp?
    Tabela.1. Konfiguracja poszczególnych elementów w module DIYAMP-EVM.


    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/08/01/do-it-yourself-three-ways-to-stabilize-op-amp-capacitive-loads


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 25 Paź 2017 21:48
    mkpl
    Poziom 37  

    Fajny i ciekawy artykuł. Brakuje mi niestety odniesienia czyli wykresów dla układu w którym nic nie zrobiono.