Kompensasi frekuensi op-amp dan mengapa itu penting dalam operasi Anda

Penguat Operasional atau Op-Amps dianggap sebagai pekerja keras Desain Elektronik Analog. Kembali dari era komputer Analog, Op-Amps telah digunakan untuk operasi matematika dengan tegangan analog maka nama penguat operasional. Hingga saat ini Op-Amps banyak digunakan untuk perbandingan tegangan, diferensiasi, integrasi, penjumlahan, dan banyak hal lainnya. Tak perlu dikatakan, rangkaian Penguat Operasional sangat mudah diimplementasikan untuk tujuan yang berbeda tetapi memiliki beberapa batasan yang sering mengarah pada kompleksitas.

Tantangan utama adalah meningkatkan stabilitas op-amp dalam aplikasi dengan bandwidth yang lebar. Solusinya adalah untuk mengkompensasi penguat dalam hal respon frekuensi, dengan menggunakan rangkaian kompensasi frekuensi di seluruh penguat operasional. Stabilitas penguat sangat tergantung pada parameter yang berbeda. Pada artikel ini, mari kita pahami pentingnya Kompensasi Frekuensi dan cara menggunakannya dalam desain Anda.

Dasar-dasar Cepat tentang Op-Amp

Sebelum langsung membahas terlebih dahulu aplikasi penguat operasional dan cara menstabilkan penguat menggunakan teknik kompensasi frekuensi, mari kita telusuri beberapa hal dasar tentang penguat operasional.

Penguat dapat dikonfigurasi sebagai konfigurasi loop terbuka atau konfigurasi loop tertutup. Dalam konfigurasi loop terbuka, tidak ada sirkuit umpan balik yang terkait dengannya. Tetapi dalam konfigurasi loop tertutup, penguat membutuhkan umpan balik agar berfungsi dengan baik. Operasional dapat memiliki umpan balik negatif atau umpan balik positif. Jika jaringan umpan balik analog melintasi terminal positif op-amp, itu disebut umpan balik positif. Jika tidak, penguat umpan balik negatif memiliki sirkuit umpan balik yang terhubung melintasi terminal negatif.

Mengapa kita membutuhkan Kompensasi Frekuensi di Op-Amps?

Mari kita lihat rangkaian amplifier di bawah ini. Ini adalah rangkaian Op-Amp non-pembalik umpan balik negatif sederhana. Sirkuit ini terhubung sebagai konfigurasi pengikut gain-gain.

Sirkuit di atas sangat umum dalam elektronik. Seperti yang kita semua tahu, amplifier memiliki impedansi input yang sangat tinggi di seluruh input dan dapat memberikan jumlah arus yang masuk akal di seluruh output. Oleh karena itu, penguat operasional dapat digerakkan menggunakan sinyal rendah untuk menggerakkan beban arus yang lebih tinggi.

Tetapi berapa arus maksimum yang dapat diberikan oleh op-amp untuk menggerakkan beban dengan aman? Rangkaian di atas cukup baik untuk menggerakkan beban resistif murni (beban resistif ideal) tetapi jika kita menghubungkan beban kapasitif ke output, op-amp akan menjadi tidak stabil dan berdasarkan nilai kapasitansi beban pada kasus terburuk op-amp mungkin bahkan mulai berosilasi.

Mari kita telusuri mengapa op-amp menjadi tidak stabil ketika beban kapasitif dihubungkan ke output. Sirkuit di atas dapat digambarkan sebagai rumus sederhana -

A _{cl =} A / 1 + Aß

Sebuah _cl adalah gain loop tertutup. A adalah gain loop terbuka dari penguat. Itu

Gambar diatas merupakan representasi dari rumus dan rangkaian penguat umpan balik negatif. Ini persis identik dengan penguat negatif tradisional yang disebutkan sebelumnya. Keduanya berbagi masukan AC di terminal positif, dan keduanya memiliki umpan balik yang sama di terminal negatif. Lingkaran adalah persimpangan penjumlahan yang memiliki dua masukan, satu dari sinyal masukan dan yang kedua dari rangkaian umpan balik. Nah, ketika penguat bekerja dalam mode umpan balik negatif, tegangan keluaran lengkap dari penguat mengalir melalui jalur umpan balik ke titik persimpangan penjumlahan. Pada persimpangan penjumlahan, tegangan umpan balik dan tegangan input ditambahkan bersama dan diumpankan kembali ke input penguat.

Gambar dibagi menjadi dua tahap penguatan. Pertama, menunjukkan rangkaian loop tertutup lengkap karena ini adalah jaringan loop tertutup dan juga rangkaian loop terbuka op-amp karena op-amp yang menunjukkan A adalah rangkaian terbuka yang berdiri sendiri, umpan balik tidak langsung terhubung.

Output dari persimpangan penjumlahan diperkuat lebih lanjut oleh gain loop terbuka op-amp. Oleh karena itu, jika benda lengkap ini direpresentasikan sebagai formasi matematika, keluaran melintasi persimpangan penjumlahan adalah -

Vin - Voutß

Ini bekerja sangat baik untuk mengatasi masalah ketidakstabilan. Jaringan RC menciptakan tiang pada gain atau 0dB yang mendominasi atau membatalkan efek kutub frekuensi tinggi lainnya. Fungsi transfer konfigurasi kutub dominan adalah -

Di mana, A (s) adalah fungsi transfer tidak terkompensasi, A adalah gain loop terbuka, ώ1, ώ2, dan ώ3 adalah frekuensi di mana gain roll-off pada -20dB, -40dB, -60dB masing-masing. The Bode Plot di bawah ini menunjukkan apa yang terjadi jika teknik kompensasi tiang dominan ditambahkan di output op-amp, di mana fd adalah frekuensi tiang dominan.

2. Kompensasi Miller

Teknik kompensasi lain yang efektif adalah teknik kompensasi miller dan merupakan teknik kompensasi in-loop di mana kapasitor sederhana digunakan dengan atau tanpa resistor isolasi beban (resistor Nulling). Itu berarti kapasitor dihubungkan dalam loop umpan balik untuk mengkompensasi respons frekuensi op-amp.

The miller kompensasi sirkuit ditampilkan di bawah. Dalam teknik ini, kapasitor dihubungkan ke umpan balik dengan resistor di keluaran.

Rangkaian ini adalah penguat umpan balik negatif sederhana dengan gain pembalik bergantung pada R1 dan R2. R3 adalah resistor nol dan CL adalah beban kapasitif pada keluaran op-amp. CF adalah kapasitor umpan balik yang digunakan untuk tujuan kompensasi. Kapasitor dan nilai resistor bergantung pada jenis tahapan penguat, kompensasi tiang, dan beban kapasitif.

Teknik Kompensasi Frekuensi Internal

Amplifier operasional modern memiliki teknik kompensasi internal. Dalam teknik kompensasi internal, kapasitor umpan balik kecil dihubungkan di dalam IC op-amp antara tahap kedua transistor Common Emitter. Misalnya, gambar di bawah ini adalah diagram internal op-amp LM358 populer.

Kapasitor Cc dihubungkan melintasi Q5 dan Q10. Ini adalah kompensasi Kapasitor (Cc). Kapasitor kompensasi ini meningkatkan stabilitas penguat dan juga mencegah osilasi dan efek dering di keluaran.

Kompensasi Frekuensi Op-amp - Simulasi praktis

Untuk memahami kompensasi Frekuensi secara lebih praktis mari kita coba mensimulasikannya dengan mempertimbangkan rangkaian di bawah ini -

Rangkaian ini adalah penguat umpan balik negatif sederhana menggunakan LM393. Op-amp ini tidak memiliki kapasitor kompensasi bawaan. Kami akan mensimulasikan rangkaian di Pspice dengan beban kapasitif 100pF dan akan memeriksa bagaimana kinerjanya dalam operasi frekuensi rendah dan tinggi.

Untuk memeriksanya, seseorang perlu menganalisis gain loop terbuka dan margin fasa dari rangkaian. Tetapi ini agak rumit untuk pspice karena simulasi rangkaian yang tepat, seperti yang ditunjukkan di atas, akan merepresentasikan penguatan loop tertutupnya. Oleh karena itu pertimbangan khusus perlu dilakukan. Langkah untuk mengubah rangkaian di atas untuk simulasi gain loop terbuka (gain vs fase) di pspice dinyatakan di bawah ini,

1. Masukan tersebut dibumikan untuk mendapatkan tanggapan umpan balik; masukan loop tertutup ke keluaran diabaikan.
2. Input pembalik dipecah menjadi dua bagian. Salah satunya adalah pembagi tegangan dan satu lagi adalah terminal negatif op-amp.
3. Dua bagian diganti namanya untuk membuat dua node terpisah dan tujuan identifikasi selama fase simulasi. Bagian pembagi tegangan diubah namanya menjadi umpan balik dan terminal negatif dinamai sebagai masukan-Inv. (Membalik masukan).
4. Kedua node yang rusak ini dihubungkan dengan sumber tegangan DC 0V. Hal ini dilakukan karena dari segi tegangan DC, kedua node memiliki tegangan yang sama yang penting untuk rangkaian untuk memenuhi kebutuhan titik operasi arus.
5. Menambahkan sumber tegangan dengan stimulus AC 1V. Ini memaksa perbedaan tegangan dua node individu menjadi 1 selama analisis AC. Satu hal yang penting dalam hal ini, bahwa rasio umpan balik dan input pembalik bergantung pada gain loop terbuka sirkuit.

Setelah melakukan langkah-langkah di atas, rangkaian terlihat seperti ini -

Sirkuit ini diberi daya menggunakan rel catu daya 15V +/-. Mari kita simulasikan rangkaian dan periksa plot pertanda keluarannya.

Karena rangkaian tidak memiliki kompensasi frekuensi, simulasi menunjukkan gain tinggi pada frekuensi rendah dan gain rendah pada frekuensi tinggi. Juga, ini menunjukkan margin fase yang sangat buruk. Mari kita lihat apa fase di gain 0dB.

Seperti yang dapat Anda lihat bahkan pada gain 0dB atau crossover gain satu, op-amp menyediakan 6 derajat pergeseran fasa hanya pada beban kapasitif 100pF.

Sekarang mari kita improvisasi rangkaian dengan menambahkan resistor kompensasi frekuensi dan kapasitor untuk membuat kompensasi miller di seluruh op-amp dan menganalisis hasilnya. Sebuah resistor nol 50 Ohm ditempatkan di seluruh op-amp dan output dengan kapasitor kompensasi 100pF.

Simulasi selesai dan kurva terlihat seperti di bawah ini,

Kurva Fase jauh lebih baik sekarang. Pergeseran fase pada penguatan 0dB hampir 45,5 derajat. Stabilitas penguat sangat ditingkatkan dengan menggunakan teknik kompensasi frekuensi. Oleh karena itu, terbukti bahwa teknik kompensasi frekuensi sangat direkomendasikan untuk stabilitas op-map yang lebih baik. Namun Bandwidth akan berkurang.

Sekarang kami memahami pentingnya kompensasi frekuensi opamp dan bagaimana menggunakannya dalam desain Op-Amp kami untuk menghindari masalah ketidakstabilan. Semoga Anda menikmati membaca tutorial dan mempelajari sesuatu yang bermanfaat. Jika Anda memiliki pertanyaan, tinggalkan di forum kami atau di bagian komentar di bawah.