- Conceptos básicos rápidos sobre amplificador operacional
- ¿Por qué necesitamos compensación de frecuencia en amplificadores operacionales?
- Técnicas de compensación de frecuencia interna
- Compensación de frecuencia del amplificador operacional: simulación práctica
Los amplificadores operacionales o amplificadores operacionales se consideran el caballo de batalla de los diseños electrónicos analógicos. Desde la era de las computadoras analógicas, los amplificadores operacionales se han utilizado para operaciones matemáticas con voltajes analógicos, de ahí el nombre amplificador operacional. Los amplificadores operacionales hasta la fecha se utilizan ampliamente para la comparación de voltaje, diferenciación, integración, suma y muchas otras cosas. No hace falta decir que los circuitos del amplificador operacional son muy fáciles de implementar para diferentes propósitos, pero tienen pocas limitaciones que a menudo conducen a la complejidad.
El mayor desafío es mejorar la estabilidad de un amplificador operacional en un amplio ancho de banda de aplicaciones. La solución es compensar el amplificador en términos de respuesta de frecuencia, mediante el uso de un circuito de compensación de frecuencia a través del amplificador operacional. La estabilidad de un amplificador depende en gran medida de diferentes parámetros. En este artículo, comprendamos la importancia de la compensación de frecuencia y cómo usarla en sus diseños.
Conceptos básicos rápidos sobre amplificador operacional
Antes de pasar directamente a la aplicación avanzada de amplificadores operacionales y cómo estabilizar el amplificador mediante la técnica de compensación de frecuencia, exploremos algunas cosas básicas sobre el amplificador operacional.
Un amplificador se puede configurar como una configuración de bucle abierto o una configuración de bucle cerrado. En una configuración de bucle abierto, no hay circuitos de retroalimentación asociados. Pero en una configuración de circuito cerrado, el amplificador necesita retroalimentación para funcionar correctamente. El operativo puede tener comentarios negativos o positivos. Si la red de retroalimentación es analógica a través del terminal positivo del amplificador operacional, se llama retroalimentación positiva. De lo contrario, los amplificadores de retroalimentación negativa tienen los circuitos de retroalimentación conectados a través del terminal negativo.
¿Por qué necesitamos compensación de frecuencia en amplificadores operacionales?
Veamos el circuito amplificador a continuación. Es un circuito amplificador operacional no inversor de retroalimentación negativa simple. El circuito está conectado como una configuración de seguidor de ganancia unitaria.
El circuito anterior es muy común en electrónica. Como todos sabemos, los amplificadores tienen una impedancia de entrada muy alta en la entrada y podrían proporcionar una cantidad razonable de corriente en la salida. Por lo tanto, los amplificadores operacionales pueden manejarse usando señales bajas para impulsar cargas de corriente más alta.
Pero, ¿cuál es la corriente máxima que podría entregar el amplificador operacional para impulsar la carga de manera segura? El circuito anterior es lo suficientemente bueno como para impulsar cargas resistivas puras (carga resistiva ideal), pero si conectamos una carga capacitiva a través de la salida, el amplificador operacional se volverá inestable y, según el valor de la capacitancia de carga en el peor de los casos, el amplificador operacional podría Incluso empieza a oscilar.
Exploremos por qué el amplificador operacional se vuelve inestable cuando se conecta una carga capacitiva a través de la salida. El circuito anterior se puede describir como una fórmula simple:
A cl = A / 1 + Aß
A cl es la ganancia de circuito cerrado. A es la ganancia de bucle abierto del amplificador. los
La imagen de arriba es una representación de la fórmula y el circuito amplificador de retroalimentación negativa. Es exactamente idéntico al amplificador negativo tradicional mencionado anteriormente. Ambos comparten la entrada de CA en el terminal positivo y ambos tienen la misma retroalimentación en el terminal negativo. El círculo es la unión sumadora que tiene dos entradas, una desde la señal de entrada y la segunda desde el circuito de retroalimentación. Bueno, cuando el amplificador está funcionando en modo de retroalimentación negativa, el voltaje de salida completo del amplificador fluye a través de la línea de retroalimentación hasta el punto de unión sumador. En la unión sumadora, el voltaje de retroalimentación y el voltaje de entrada se suman y se retroalimentan a la entrada del amplificador.
La imagen se divide en dos etapas de ganancia. En primer lugar, muestra un circuito de circuito cerrado completo ya que esta es una red de circuito cerrado y también el circuito de circuito abierto de amplificadores operacionales porque el amplificador operacional que muestra A es un circuito abierto independiente, la retroalimentación no está conectada directamente.
La salida de la unión sumadora se amplifica aún más por la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional. Por lo tanto, si esta cosa completa se representa como una formación matemática, la salida a través de la unión sumadora es:
Vin - Voutß
Esto funciona muy bien para superar el problema de la inestabilidad. La red RC crea un polo a la unidad o ganancia de 0dB que domina o anula el efecto de otros polos de alta frecuencia. La función de transferencia de la configuración del polo dominante es:
Donde, A (s) es la función de transferencia no compensada, A es la ganancia de lazo abierto, ώ1, ώ2 y ώ3 son las frecuencias donde la ganancia se reduce a -20dB, -40dB, -60dB respectivamente. El diagrama de Bode a continuación muestra lo que sucede si se agrega la técnica de compensación del polo dominante a través de la salida del amplificador operacional, donde fd es la frecuencia del polo dominante.
2. Compensación Miller
Otra técnica de compensación eficaz es la técnica de compensación de miller y es una técnica de compensación en bucle en la que se utiliza un condensador simple con o sin resistencia de aislamiento de carga (resistencia de anulación). Eso significa que un capacitor está conectado en el circuito de retroalimentación para compensar la respuesta de frecuencia del amplificador operacional.
El circuito de compensación del molinero se muestra a continuación. En esta técnica, se conecta un capacitor a la retroalimentación con una resistencia a través de la salida.
El circuito es un amplificador de retroalimentación negativa simple con ganancia inversora que depende de R1 y R2. El R3 es la resistencia nula y el CL es la carga capacitiva a través de la salida del amplificador operacional. CF es el condensador de retroalimentación que se utiliza para fines de compensación. El condensador y el valor de la resistencia dependen del tipo de etapas del amplificador, compensación de polos y carga capacitiva.
Técnicas de compensación de frecuencia interna
Los amplificadores operacionales modernos tienen una técnica de compensación interna. En la técnica de compensación interna, se conecta un pequeño capacitor de retroalimentación dentro del amplificador operacional IC entre las segundas etapas del transistor emisor común. Por ejemplo, la siguiente imagen es el diagrama interno del popular amplificador operacional LM358.
El condensador Cc está conectado a través de Q5 y Q10. Es el condensador de compensación (Cc). Este condensador de compensación mejora la estabilidad del amplificador y además evita la oscilación y el efecto de timbre en la salida.
Compensación de frecuencia del amplificador operacional: simulación práctica
Para comprender la compensación de frecuencia de manera más práctica, intentemos simularla considerando el siguiente circuito:
El circuito es un amplificador de retroalimentación negativa simple que usa LM393. Este amplificador operacional no tiene ningún condensador de compensación incorporado. Vamos a simular el circuito en Pspice con una carga capacitiva de 100pF y comprobaremos cómo se llevará a cabo en baja y alta frecuencia de operación.
Para comprobar esto, es necesario analizar la ganancia de bucle abierto y el margen de fase del circuito. Pero es un poco complicado para el pspice ya que simular el circuito exacto, como se muestra arriba, representará su ganancia de circuito cerrado. Por lo tanto, se deben tomar consideraciones especiales. El paso para convertir el circuito anterior para la simulación de ganancia de bucle abierto (ganancia frente a fase) en pspice se indica a continuación,
- La entrada está conectada a tierra para obtener la respuesta de retroalimentación; Se ignora la entrada de bucle cerrado a la salida.
- La entrada inversora se divide en dos partes. Uno es el divisor de voltaje y otro es el terminal negativo del amplificador operacional.
- Se cambia el nombre de dos partes para crear dos nodos separados y propósitos de identificación durante la fase de simulación. La sección del divisor de voltaje se renombra como retroalimentación y el terminal negativo se renombra como Entrada Inv. (Entrada inversora).
- Estos dos nodos rotos están conectados con una fuente de voltaje de 0 V CC. Esto se hace porque, según el término de voltaje de CC, ambos nodos tienen el mismo voltaje que es esencial para que el circuito satisfaga el requisito del punto de operación actual.
- Añadiendo la fuente de voltaje con 1V del estímulo AC. Esto obliga a que la diferencia de voltaje de los dos nodos individuales se convierta en 1 durante el análisis de CA. Una cosa es esencial en este caso, que la relación entre la retroalimentación y la entrada inversora dependa de la ganancia de circuito abierto del circuito.
Después de realizar los pasos anteriores, el circuito se ve así:
El circuito se alimenta mediante un riel de alimentación de 15 V +/-. Simulemos el circuito y verifiquemos su diagrama de bode de salida.
Dado que el circuito no tiene compensación de frecuencia, como se esperaba, la simulación muestra una alta ganancia a baja frecuencia y baja ganancia a alta frecuencia. Además, muestra un margen de fase muy pobre. Veamos cuál es la fase a 0dB de ganancia.
Como puede ver incluso con una ganancia de 0dB o un cruce de ganancia unitaria, el amplificador operacional proporciona 6 grados de cambio de fase con solo una carga capacitiva de 100pF.
Ahora improvisemos el circuito agregando una resistencia de compensación de frecuencia y un capacitor para crear una compensación de miller en el amplificador operacional y analizar el resultado. Se coloca una resistencia nula de 50 ohmios a través del amplificador operacional y la salida con un condensador de compensación de 100pF.
La simulación está hecha y la curva se ve como la siguiente,
La curva de fase es mucho mejor ahora. El cambio de fase con una ganancia de 0 dB es de casi 45,5 grados. La estabilidad del amplificador aumenta considerablemente con la técnica de compensación de frecuencia. Por tanto, está comprobado que la técnica de compensación de frecuencia es muy recomendable para la mejor estabilidad del op-map. Pero el ancho de banda disminuirá.
Ahora entendemos la importancia de la compensación de frecuencia del amplificador operacional y cómo usarlo en nuestros diseños de amplificador operacional para evitar problemas de inestabilidad. Espero que hayas disfrutado leyendo el tutorial y hayas aprendido algo útil. Si tiene alguna pregunta, déjela en nuestros foros o en la sección de comentarios a continuación.