На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.
Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
Операционные усилители с внутренней частотной компенсацией (Unity-gain-stable) являются устойчивыми даже при работе в схеме с единичным усилением G = +1, в которой выходной сигнал полностью поступает обратно на инвертирующий вход. Будет не совсем правильно называть такую конфигурацию худшим вариантом по запасу устойчивости. Лучше называть ее общепринятой тестовой схемой.
Декомпенсированные операционные усилители имеют компенсационные конденсаторы меньшей емкости, которые обеспечивают более широкую полосу пропускания (GBW) и более высокую скорость нарастания. Увеличение скорости нарастания обычно требует повышенной мощности, но за счет уменьшения емкости тот же базовый операционный усилитель может быть значительно быстрее при том же рабочем токе. Однако такие ОУ не являются устойчивыми в схеме с единичным усилением — они должны использоваться с коэффициентом усиления, значительно превышающим единицу.
На рисунке 41 показана критическая часть АЧХ для идеализированной пары усилителей: со встроенной компенсацией и декомпенсированного. Декомпенсированная версия имеет в пять раз более широкую полосу пропускания GBW: 10 МГц против 2 МГц. Скорость изменения АЧХ для обоих ОУ примерно одинакова. Стоит отметить, что частота единичного усиления для компенсированного ОУ немного меньше, чем его GBW, для таких случаев это обычное явление. Частота единичного усиления декомпенсированного усилителя составляет половину его GBW. Нет смысла работать с таким усилителем при коэффициенте шумового усиления, близком к частоте единичного усиления, поскольку второй полюс на частоте 3 МГц сильно влияет на значение коэффициента усиления/фазы в этой области. Запас по фазе здесь будет недостаточным.
Рис. 41. АЧХ для идеализированной пары усилителей: ОУ со встроенной компенсацией и декомпенсированного ОУ
Может показаться, что работа декомпенсированных операционных усилителей довольно таинственна, и по этой причине некоторые пользователи не знают, будут их схемы устойчивыми или нет. На рисунке 42a показана распространенная ошибка. Хотя этот усилитель имеет коэффициент усиления 10, конденсатор обратной связи открывает путь для высокочастотных составляющих. Этот конденсатор является виртуальным коротким замыканием на высоких частотах, где возникают проблемы устойчивости. Нет ничего страшного в том, чтобы использовать конденсатор обратной связи небольшой емкости, чтобы компенсировать цепь обратной связи для получения плоской АЧХ, но большая емкость обязательно создаст проблемы.
Аналогично, использование декомпенсированного ОУ при создании активного фильтра с множественной обратной связью обязательно вызовет проблемы вне зависимости от частоты среза фильтра (рисунок 42б). Интегратор представляет собой еще одно приложение, не подходящее для использования декомпенсированных операционных усилителей (рисунок 42в).
Рис. 42. Варианты ошибочных схем с декомпенсированным ОУ
Компания TI совершенствует свои операционные усилители и технологии их производства. Сейчас мы можем изготовить усилитель с потреблением в несколько сот микроампер, в то время как раньше такой же усилитель потреблял несколько миллиампер. По этой причине современный ОУ со встроенной компенсацией по скорости и мощности приближается к более старым декомпенсированным усилителям или даже превосходит их. Тем не менее, декомпенсированный операционный усилитель может быть лучшим решением для некоторых приложений.
Сразу хочу внести ясность – я не пытаюсь убедить вас использовать декомпенсированные усилители вместо усилителей со встроенной компенсацией. У каждого из них есть свои достоинства, и вы можете выбирать между ними с учетом особенностей конкретного приложения. Однако вне зависимости от вашего выбора необходимо четко понимать, в чем заключаются их различия. Если вы не уверены, какой ОУ лучше использовать в вашей схеме, то можно попросить помощи на форуме Precision Amplifers в сообществе T2 E2E.
Вот несколько пар декомпенсированных и компенсированных ОУ:
- OPA228 (OPA227 – компенсированная версия) – прецизионный малошумящий биполярный операционный усилитель;
- OPA637 (OPA627 – компенсированная версия) – прецизионный высокоскоростной JFET-операционный усилитель;
- OPA345 (OPA344 – компенсированная версия) – rail-to-rail КМОП-операционный усилитель;
- LMP7717 (LMP7715 – компенсированная версия) – КМОП-операционный усилитель с полосой пропускания 88 МГц.
Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
Компенсированные усилители являются устойчивыми в схемах с коэффициентом усиления, равным единице и больше. Но ведь – не меньше единицы?, А что тогда делать со схемами, подобными той, что изображена на рисунке 43?
Рис. 43. Пример инвертирующего аттенюатора
Если говорить коротко, данный инвертирующий аттенюатор стабилен! Вы хотите знать, почему? Есть несколько способов прояснить ситуацию, и объяснение «на пальцах» может внести дополнительную ясность в общую картину проблем с устойчивостью.
Рассмотрим пример. Если при G = -0,1 схема была бы неустойчивой, то при более низком коэффициенте усиления все было бы еще хуже, не так ли? Рассмотрим схему с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи, показанную на рисунке 44. Теперь предположим наличие тока утечки по поверхности печатной платы, для чего добавим входной резистор R1 = 10 ГОм. Этот паразитный входной сигнал инвертируется и усиливается с очень малым коэффициентом усиления. Схема будет неустойчивой? Конечно, нет! Это по-прежнему всего лишь буфер с единичным усилением, с заземленным входом. Итак, схема устойчива.
Рис. 44. Схема с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи является устойчивой
Представьте, что устойчивость операционного усилителя зависит от того, какая часть выходного сигнала попадает обратно на инвертирующий вход. Эксперты по устойчивости используют для этого коэффициент обратной связи β. При единичном усилении 100% выходного напряжения возвращается на инвертирующий вход, поэтому β равно единице. Пример на рисунке 44, по существу, также имеет значение β, близкое к единице, так как почти весь выходной сигнал подается обратно на инвертирующий вход.
На рисунке 45а показан инвертирующий усилитель, а на рисунке 45б – неинвертирующий. Цепи обратной связи для них одинаковы, только входной сигнал подается на разные входы. Обе схемы возвращают равную часть выходного сигнала на инвертирующий вход, поэтому запас устойчивости для них одинаков. Значение β то же самое.
Рис. 45. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители имеют одинаковый коэффициент обратной связи и равный запас устойчивости, но входной сигнал подается на разные входы
Для ОУ также используют термин «коэффициент усиления шума» (noise gain) – значение коэффициента, с которым шум напряжения питания ОУ усиливается и подается на выход. Это еще один способ количественно оценить возникающую обратную связь. Схема усилителя, подверженная колебаниям или нестабильности, дополнительно возбуждается собственным внутренним шумом, который усиливается и подается обратно на инвертирующий вход. Инвертирующий усилитель, изображенный на рисунке 45а, имеет такой же коэффициент усиления шума и значение β, что и его неинвертирующий аналог, а значит, запас устойчивости у них будет одинаковым, хотя коэффициент усиления входного сигнала для них разный.
Существуют ли схемы с коэффициентом усиления шума меньше единицы? Может ли β быть больше единицы? Это возможно, когда коэффициент усиления включен в цепь обратной связи. Данная проблема может возникать в многокаскадных схемах с более крупным контуром обратной связи, например, в системах управления. Это также происходит, когда транзистор (в схеме с общим эмиттером или общим истоком) включается в цепь обратной связи ОУ. Эти схемы могут иметь большие проблемы с устойчивостью.
Конечно, существуют другие возможные причины неустойчивости инвертирующего усилителя. Емкостная нагрузка, чрезмерно высокие значения сопротивлений или слишком большая емкость на инвертирующем входе могут вызвать нестабильность, но это не связано с инвертирующей конфигурацией. Тем не менее, заблуждения об опасностях инвертирующей схемы по-прежнему сохраняются. Пусть они не заботят вас. Промоделируйте свою схему в среде TINA-TI или в другой программе SPICE-моделирования, чтобы развеять все опасения. Если же у вас остаются сомнения или нерешенные проблемы, обратитесь к экспертам на инженерных форумах.
Предыдущие главы:
- Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Что нужно знать о входах rail-to-rail
- Работа с напряжениями, близкими к земле. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи
- SPICE-моделирование напряжения смещения и некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
- Входной импеданс против входного тока смещения. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
- Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
- Встроенная схема компенсации токов смещения в ОУ с биполярными входами. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
- Приручаем нестабильный ОУ. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
- SPICE-моделирование устойчивости ОУ. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
Источник: www.compel.ru
