Co jest specjalnego w „stabilizacji zysku jedności”?

Jak wspomniano w arkuszach danych opamp, takich jak ten . Sądzę, że stabilność jest problemem przy wyższych zyskach z powodu oscylacji. Jakie są problemy z uzyskaniem jedności?

Stabilność zależy nie tylko od wzmocnienia, ale także od fazy. Jeśli wzmacniacz odwracający ma przesunięcie fazowe o 180 °, całkowite przesunięcie fazowe wynosi 360 ° i spełnione jest jedno z kryteriów oscylacji Barkhausena .

Wzmacniacze różnią się zdolnością do stabilności, nawet jeśli obwód zewnętrzny jest optymalny. Aby ocenić potencjał stabilności dla określonego typu wzmacniacza, wymagane są dane graficzne zarówno dla „wzmocnienia w funkcji częstotliwości”, jak i „fazy w funkcji częstotliwości” wzmacniacza w otwartej pętli. Jeżeli odpowiedź fazowa wykazuje 180E przy częstotliwości, w której wzmocnienie jest powyżej jedności, ujemne sprzężenie zwrotne stanie się dodatnim sprzężeniem zwrotnym, a wzmacniacz faktycznie będzie oscylował. Nawet jeśli opóźnienie fazowe jest mniejsze niż! 180E i nie ma trwałej oscylacji, nastąpi przekroczenie i możliwość wystąpienia impulsów oscylacyjnych wywołanych przez zewnętrzne źródła hałasu, jeśli odpowiedź fazowa nie będzie „wystarczająco mniejsza” niż -180 ° dla wszystkich częstotliwości gdzie zysk jest powyżej jedności. „Wystarczająco mniej” margines fazy . Jeżeli odpowiedź fazowa wynosi -135 °, to margines fazowy wynosi 45 ° (ilość „mniejsza niż” -180 °). Właściwie margines fazy zainteresowania dla oceny potencjału stabilności musi również obejmować odpowiedź fazową obwodu sprzężenia zwrotnego . Kiedy ten łączony margines fazowy wynosi 45 ° lub więcej, wzmacniacz jest dość stabilny. Liczba 45 ° jest „zasadą praktyczną”, a większy margines fazowy zapewni jeszcze lepszą stabilność i mniejsze przekroczenie.

Często, ale nie zawsze, najniższy margines fazowy ma najwyższą częstotliwość, która ma wzmocnienie powyżej jedności; ponieważ zawsze występuje pewne opóźnienie niezależne od częstotliwości, które reprezentuje więcej stopni przy wyższych częstotliwościach. Wzmacniacz z marginesem fazowym 45E przy wyższej częstotliwości wzmocnienia w otwartej pętli jedności jest nazywany „stabilnym wzmocnieniem jedności”. Opcjonalnie większość typów wzmacniaczy może zostać skompensowana pod kątem stabilności wzmocnienia jedności przy pewnym poświęceniu szybkości narastania lub szumu o wysokiej częstotliwości. Jeżeli stabilność jest uważana za priorytet, należy dokonać kompromisu. Stabilny zysk jedności oznacza stabilną pracę przy najniższym wzmocnieniu w zamkniętej pętli, gdzie stabilność jest zwykle najgorsza.

( stąd )

Dalsza lektura
Dlaczego opinie jedności są najtrudniejsze dla stabilności?

Wzmocnienie jedności osiąga się poprzez zastosowanie 100% sprzężenia zwrotnego do wzmacniacza o wysokim wzmocnieniu. Nastąpi przesunięcie fazowe między wejściem a wyjściem, a oscylacja nastąpi, gdy przesunięcie fazowe wyniesie lub przekroczy 180 stopni przy dowolnej częstotliwości, w której wzmocnienie w otwartej pętli jest większe niż jedność (w rzeczywistości zawsze w zakresie częstotliwości).

Sytuacja wysokiego sprzężenia zwrotnego wzmocnienia jedności jest najtrudniejsza do uniknięcia, gdy pewne częstotliwości (zwykle na górze zakresu odpowiedzi) mają przesunięcie fazowe o 180 stopni.

W praktyce „tylko mniej niż 180 stopni” nie jest wystarczająco dobre, ponieważ wzmacniacze zbliżające się do oscylacji „zadzwonią” i wytworzą niepożądaną przejściową odpowiedź na szybkich zboczach lub na sygnałach o składowych wyższych częstotliwości. Dlatego wymagany jest stopień „marginesu fazowego”, aby przesunięcie fazowe w systemie było całkowicie wolne od 180 stopni dla wszystkich napotkanych częstotliwości, aby utrzymać wzmacniacz z dala od obszarów, w których zaczyna on źle się zachowywać.

Przydatne Jensen AN001 - Kilka wskazówek na temat stabilizacji wzmacniaczy operacyjnych

Negatywne sprzężenie zwrotne stabilizuje wzmacniacze, a pozytywne sprzężenie destabilizuje je.

Ze względu na pasożytniczy opór i pojemność wzmacniacz nieuchronnie działa jako filtr dolnoprzepustowy. Oznacza to, że oprócz tłumienia występuje przesunięcie fazowe. Im więcej etapów ma wzmacniacz, tym większy jest potencjał przesunięć fazowych.

Odpowiedź częstotliwościowa wzmacniacza z dwoma lub więcej stopniami (tj. Prawie wszystkimi wzmacniaczami operacyjnymi) będzie zawierać wiele częstotliwości przerwania. Wokół każdej częstotliwości przerwy rośnie przesunięcie fazowe. Po pierwszej częstotliwości przerwy występuje około 90 stopni przesunięcia fazowego, po drugiej częstotliwości przerwy około 180 stopni przesunięcia fazowego (i tak dalej, ale tak naprawdę dbamy tylko o pierwsze dwa).

Przesunięcie fazowe o 180 stopni zmienia ujemne sprzężenie zwrotne w pozytywne sprzężenie zwrotne. To jest problem. Jeżeli „wzmocnienie pętli” ścieżki sprzężenia zwrotnego w tym punkcie wynosi jeden lub więcej, to wzmacniacz oscyluje.

Musimy więc zaprojektować nasze wzmacniacze, aby wzmocnienie w pętli sprzężenia zwrotnego spadło do mniej niż jednego przed osiągnięciem drugiej częstotliwości przerwania. Producenci OP-AMP robią to, celowo dodając pojemność (znaną jako „kompensacja”) do wzmacniaczy w celu zmniejszenia częstotliwości pierwszego punktu przerwania, a tym samym zmniejszenia wzmocnienia w drugim punkcie przerwania. Oczywiście zmniejsza to szerokość pasma naszego wzmacniacza.

Ale zysk w pętli sprzężenia zwrotnego zależy nie tylko od wzmacniacza, ale także od dzielnika sprzężenia zwrotnego. Im wyższe wzmocnienie w zamkniętej pętli wzmacniacza, tym niższe wzmocnienie w pętli sprzężenia zwrotnego. Najgorszym przypadkiem jest nieodwracający wzmacniacz wzmocnienia jedności, który przekazuje 100% mocy wyjściowej na wejście. Wzmacniacze o niskim wzmocnieniu wymagają więc dużej pojemności kompensacyjnej niż wzmacniacze o wysokim wzmocnieniu.

Tak więc producenci szybkich wzmacniaczy operacyjnych dają wybór. Czasami odbywa się to poprzez zastosowanie różnych modeli wzmacniaczy do zastosowań o niskim i wysokim wzmocnieniu. Czasami (na przykład w AD8021) odbywa się to poprzez zamontowanie kondensatora kompensacyjnego na zewnątrz.