Compensation de fréquence de l'ampli-op et pourquoi c'est important dans votre opération

Les amplificateurs opérationnels ou amplificateurs opérationnels sont considérés comme le cheval de bataille des conceptions électroniques analogiques. De retour de l'ère des ordinateurs analogiques, les amplificateurs opérationnels ont été utilisés pour des opérations mathématiques avec des tensions analogiques, d'où le nom d'amplificateur opérationnel. Jusqu'à ce jour, les amplificateurs opérationnels sont largement utilisés pour la comparaison de tension, la différenciation, l'intégration, la sommation et bien d'autres choses. Inutile de dire que les circuits de l'amplificateur opérationnel sont très faciles à mettre en œuvre à des fins différentes, mais ils présentent peu de limitations qui conduisent souvent à la complexité.

Le défi majeur est d' améliorer la stabilité d'un ampli opérationnel dans une large bande passante d'applications. La solution est de compenser l'amplificateur en termes de réponse en fréquence, en utilisant un circuit de compensation de fréquence aux bornes de l'amplificateur opérationnel. La stabilité d'un amplificateur dépend fortement de différents paramètres. Dans cet article, comprenons l'importance de la compensation de fréquence et comment l'utiliser dans vos conceptions.

Bases rapides sur Op-Amp

Avant d'aller directement dans l'application avancée des amplificateurs opérationnels et comment stabiliser l'amplificateur à l'aide de la technique de compensation de fréquence, explorons quelques éléments de base sur l'amplificateur opérationnel.

Un amplificateur peut être configuré comme une configuration en boucle ouverte ou une configuration en boucle fermée. Dans une configuration en boucle ouverte, aucun circuit de rétroaction ne lui est associé. Mais dans une configuration en boucle fermée, l'amplificateur a besoin de rétroaction pour fonctionner correctement. L'opérationnel peut avoir des commentaires négatifs ou positifs. Si le réseau de rétroaction analogique à travers la borne positive de l'ampli-op, il est appelé rétroaction positive. Sinon, les amplificateurs de rétroaction négative ont le circuit de rétroaction connecté à travers la borne négative.

Pourquoi avons-nous besoin d'une compensation de fréquence dans les amplificateurs opérationnels?

Voyons le circuit amplificateur ci-dessous. Il s'agit d'un simple circuit ampli-op non inverseur à rétroaction négative. Le circuit est connecté comme une configuration de suiveur à gain unitaire.

Le circuit ci-dessus est très courant en électronique. Comme nous le savons tous, les amplificateurs ont une impédance d'entrée très élevée sur l'entrée et pourraient fournir une quantité raisonnable de courant sur la sortie. Par conséquent, les amplificateurs opérationnels peuvent être pilotés à l'aide de signaux faibles pour piloter des charges de courant plus élevé.

Mais quel est le courant maximum que l'ampli opérationnel pourrait fournir pour conduire la charge en toute sécurité? Le circuit ci-dessus est assez bon pour piloter des charges résistives pures (charge résistive idéale) mais si nous connectons une charge capacitive à travers la sortie, l'ampli opérationnel deviendra instable et basé sur la valeur de la capacité de charge dans le pire des cas, l'ampli opérationnel pourrait même commencer à osciller.

Explorons pourquoi l'amplificateur opérationnel devient instable lorsqu'une charge capacitive est connectée à travers la sortie. Le circuit ci-dessus peut être décrit comme une formule simple -

Un _{cl =} A / 1 + Aß

Un _cl est le gain en boucle fermée. A est le gain en boucle ouverte de l'amplificateur. le

L'image ci-dessus est une représentation de la formule et du circuit amplificateur à rétroaction négative. Il est exactement identique à l'amplificateur négatif traditionnel mentionné précédemment. Ils partagent tous les deux une entrée CA sur la borne positive et ont tous les deux le même retour d'informations sur la borne négative. Le cercle est la jonction de sommation a deux entrées, une du signal d'entrée et la seconde du circuit de rétroaction. Eh bien, lorsque l'amplificateur fonctionne en mode de rétroaction négative, la tension de sortie complète de l'amplificateur circule à travers la ligne de rétroaction jusqu'au point de jonction de sommation. Au niveau de la jonction de sommation, la tension de retour et la tension d'entrée sont additionnées et renvoyées à l'entrée de l'amplificateur.

L'image est divisée en deux étages de gain. Tout d'abord, il montre un circuit en boucle fermée complet car il s'agit d'un réseau en boucle fermée et également le circuit en boucle ouverte des amplificateurs opérationnels car l'ampli opérationnel montrant A est un circuit ouvert autonome, la rétroaction n'est pas directement connectée.

La sortie de la jonction de sommation est encore amplifiée par le gain en boucle ouverte de l'ampli-op. Par conséquent, si cette chose complète est représentée comme une formation mathématique, la sortie à travers la jonction de sommation est -

Vin - Voutß

Cela fonctionne très bien pour surmonter le problème d'instabilité. Le réseau RC crée un pôle à un gain d'unité ou de 0 dB qui domine ou annule l'effet des autres pôles haute fréquence. La fonction de transfert de la configuration des pôles dominants est -

Où, A (s) est la fonction de transfert non compensée, A est le gain en boucle ouverte, ώ1, ώ2 et ώ3 sont les fréquences où la réduction du gain à -20 dB, -40 dB, -60 dB respectivement. Le graphique de Bode ci-dessous montre ce qui se passe si la technique de compensation du pôle dominant est ajoutée à travers la sortie de l'amplificateur opérationnel, où fd est la fréquence du pôle dominant.

2. Indemnisation Miller

Une autre technique de compensation efficace est la technique de compensation de fraisage et il s'agit d'une technique de compensation en boucle où un simple condensateur est utilisé avec ou sans résistance d'isolement de charge (résistance de suppression). Cela signifie qu'un condensateur est connecté dans la boucle de rétroaction pour compenser la réponse en fréquence de l'amplificateur opérationnel.

Le circuit de compensation du meunier est illustré ci-dessous. Dans cette technique, un condensateur est connecté à la rétroaction avec une résistance aux bornes de la sortie.

Le circuit est un simple amplificateur à rétroaction négative avec un gain inverseur dépendant de R1 et R2. Le R3 est la résistance nulle et le CL est la charge capacitive à travers la sortie de l'ampli-op. CF est le condensateur de rétroaction utilisé à des fins de compensation. Le condensateur et la valeur de la résistance dépendent du type d'étages d'amplification, de la compensation des pôles et de la charge capacitive.

Techniques de compensation de fréquence interne

Les amplificateurs opérationnels modernes ont une technique de compensation interne. Dans la technique de compensation interne, un petit condensateur de rétroaction est connecté à l' intérieur du circuit intégré de l'amplificateur opérationnel entre les deuxièmes étages Transistor émetteur commun. Par exemple, l'image ci-dessous est le schéma interne du populaire ampli-op LM358.

Le condensateur Cc est connecté aux bornes Q5 et Q10. C'est le condensateur de compensation (Cc). Ce condensateur de compensation améliore la stabilité de l'amplificateur et empêche l'oscillation et l'effet de sonnerie sur la sortie.

Compensation de fréquence de l'ampli-op - Simulation pratique

Pour comprendre plus concrètement la compensation de fréquence, essayons de la simuler en considérant le circuit ci-dessous -

Le circuit est un simple amplificateur à rétroaction négative utilisant LM393. Cet ampli opérationnel n'a pas de condensateur de compensation intégré. Nous simulerons le circuit de Pspice avec une charge capacitive de 100 pF et vérifierons comment il fonctionnera en fonctionnement basse et haute fréquence.

Pour vérifier cela, il faut analyser le gain en boucle ouverte et la marge de phase du circuit. Mais c'est un peu délicat pour le pspice car la simulation du circuit exact, comme indiqué ci-dessus, représentera son gain en boucle fermée. Par conséquent, des considérations spéciales doivent être prises. L'étape de conversion du circuit ci-dessus pour la simulation de gain en boucle ouverte (gain vs phase) en pspice est indiquée ci-dessous,

1. L'entrée est mise à la terre pour obtenir la réponse de rétroaction; l'entrée en boucle fermée vers la sortie est ignorée.
2. L'entrée inverseuse est divisée en deux parties. L'un est le diviseur de tension et un autre est la borne négative de l'ampli-op.
3. Deux parties sont renommées pour créer deux nœuds distincts et à des fins d'identification pendant la phase de simulation. La section du diviseur de tension est renommée en retour et la borne négative est renommée en entrée Inv. (Inverser l'entrée).
4. Ces deux nœuds cassés sont connectés à une source de tension 0V DC. Ceci est fait parce que, à partir du terme de tension continue, les deux nœuds ont la même tension, ce qui est essentiel pour que le circuit réponde à l'exigence de point de fonctionnement actuel.
5. Ajout de la source de tension avec un 1V du stimulus AC. Cela force la différence de tension des deux nœuds individuels à devenir 1 pendant l'analyse CA. Une chose est essentielle dans ce cas, que le rapport du retour et de l'entrée inverseuse dépende du gain en boucle ouverte des circuits.

Après avoir effectué les étapes ci-dessus, le circuit ressemble à ceci -

Le circuit est alimenté par un rail d'alimentation +/- 15V. Simulons le circuit et vérifions son tracé de sortie.

Comme le circuit n'a pas de compensation de fréquence, comme prévu, la simulation montre un gain élevé à basse fréquence et un gain faible à haute fréquence. En outre, il montre une marge de phase très faible. Voyons quelle est la phase à un gain de 0 dB.

Comme vous pouvez le voir même à un gain de 0 dB ou à un croisement de gain unitaire, l'ampli opérationnel fournit 6 degrés de déphasage à seulement une charge capacitive de 100 pF.

Maintenant, improvisons le circuit en ajoutant une résistance de compensation de fréquence et un condensateur pour créer une compensation de meunier à travers l'ampli opérationnel et analyser le résultat. Une résistance nulle de 50 Ohms est placée à travers l'amplificateur opérationnel et la sortie avec un condensateur de compensation de 100pF.

La simulation est terminée et la courbe ressemble à celle ci-dessous,

La courbe de phase est bien meilleure maintenant. Le déphasage à un gain de 0 dB est de près de 45,5 degrés. La stabilité de l'amplificateur est fortement augmentée en utilisant la technique de compensation de fréquence. Par conséquent, il est prouvé que la technique de compensation de fréquence est fortement recommandée pour une meilleure stabilité de l'op-map. Mais la bande passante diminuera.

Nous comprenons maintenant l'importance de la compensation de fréquence de l'ampli - op et comment l'utiliser dans nos conceptions d'Op-Amp pour éviter les problèmes d'instabilité. J'espère que vous avez apprécié la lecture du tutoriel et appris quelque chose d'utile. Si vous avez des questions, laissez-les dans nos forums ou dans la section commentaires ci-dessous.