- Noções básicas rápidas em Op-Amp
- Por que precisamos de Compensação de Freqüência em Op-Amps?
- Técnicas de Compensação de Frequência Interna
- Compensação de frequência do amp-op - simulação prática
Amplificadores operacionais ou Op-Amps são considerados o carro-chefe dos designs eletrônicos analógicos. De volta à era dos computadores analógicos, os amplificadores operacionais têm sido usados para operações matemáticas com tensões analógicas, daí o nome de amplificador operacional. Até o momento, os Amp-ops são amplamente usados para comparação, diferenciação, integração, soma de tensão e muitas outras coisas. Desnecessário dizer que os circuitos do amplificador operacional são muito fáceis de implementar para diferentes propósitos, mas têm poucas limitações que muitas vezes levam à complexidade.
O principal desafio é melhorar a estabilidade de um amplificador operacional em uma ampla largura de banda de aplicações. A solução é compensar o amplificador em termos de resposta de frequência, usando um circuito de compensação de frequência no amplificador operacional. A estabilidade de um amplificador é altamente dependente de diferentes parâmetros. Neste artigo, vamos entender a importância da Compensação de Freqüência e como usá-la em seus projetos.
Noções básicas rápidas em Op-Amp
Antes de ir direto para a aplicação avançada de amplificadores operacionais e como estabilizar o amplificador usando a técnica de compensação de frequência, vamos explorar algumas coisas básicas sobre o amplificador operacional.
Um amplificador pode ser configurado como uma configuração de malha aberta ou uma configuração de malha fechada. Em uma configuração de malha aberta, não há circuitos de feedback associados a ela. Mas em uma configuração de malha fechada, o amplificador precisa de feedback para funcionar corretamente. O operacional pode ter feedback negativo ou positivo. Se a rede de feedback for analógica no terminal positivo do amplificador operacional, é chamada de feedback positivo. Caso contrário, os amplificadores de feedback negativo têm o circuito de feedback conectado ao terminal negativo.
Por que precisamos de Compensação de Freqüência em Op-Amps?
Vamos ver o circuito do amplificador abaixo. É um circuito Op-Amp não inversor com realimentação negativa simples. O circuito é conectado como uma configuração de seguidor de ganho unitário.
O circuito acima é muito comum na eletrônica. Como todos sabemos, os amplificadores têm uma impedância de entrada muito alta na entrada e podem fornecer uma quantidade razoável de corrente na saída. Portanto, os amplificadores operacionais podem ser acionados usando sinais baixos para acionar cargas de corrente mais alta.
Mas qual é a corrente máxima que o amplificador operacional pode fornecer para conduzir a carga com segurança? O circuito acima é bom o suficiente para conduzir cargas resistivas puras (carga resistiva ideal), mas se conectarmos uma carga capacitiva na saída, o op-amp se tornará instável e com base no valor da capacitância de carga na pior das hipóteses, o op-amp pode até começar a oscilar.
Vamos explorar por que o amplificador operacional fica instável quando uma carga capacitiva é conectada na saída. O circuito acima pode ser descrito como uma fórmula simples -
A cl = A / 1 + Aß
Um cl é o ganho de malha fechada. A é o ganho de malha aberta do amplificador. o
A imagem acima é uma representação da fórmula e do circuito amplificador de feedback negativo. É exatamente idêntico ao amplificador negativo tradicional mencionado anteriormente. Ambos compartilham a entrada CA no terminal positivo e ambos têm o mesmo feedback no terminal negativo. O círculo é a junção somadora e tem duas entradas, uma do sinal de entrada e a segunda do circuito de feedback. Bem, quando o amplificador está funcionando no modo de feedback negativo, a tensão de saída completa do amplificador está fluindo através da linha de feedback para o ponto de junção de soma. Na junção de soma, a tensão de feedback e a tensão de entrada são somadas e realimentadas na entrada do amplificador.
A imagem é dividida em dois estágios de ganho. Em primeiro lugar, ele está mostrando o circuito de malha fechada completo , pois esta é uma rede de malha fechada e também o circuito de malha aberta dos amplificadores operacionais porque o amplificador operacional que mostra A é um circuito aberto autônomo, o feedback não está diretamente conectado.
A saída da junção somadora é ainda mais amplificada pelo ganho de malha aberta do amplificador operacional. Portanto, se essa coisa completa é representada como uma formação matemática, a saída através da junção soma é -
Vin - Voutß
Isso funciona muito bem para superar o problema de instabilidade. A rede RC cria um pólo na unidade ou ganho de 0dB que domina ou cancela o efeito de outros pólos de alta frequência. A função de transferência da configuração do pólo dominante é -
Onde, A (s) é a função de transferência não compensada, A é o ganho de malha aberta, ώ1, ώ2 e ώ3 são as frequências onde o ganho roll-off em -20dB, -40dB, -60dB respectivamente. O gráfico de Bode abaixo mostra o que acontece se a técnica de compensação do pólo dominante for adicionada à saída do amplificador operacional, onde fd é a frequência do pólo dominante.
2. Compensação de Miller
Outra técnica de compensação eficaz é a técnica de compensação de miller e é uma técnica de compensação em loop onde um capacitor simples é usado com ou sem resistor de isolamento de carga (resistor de anulação). Isso significa que um capacitor está conectado ao loop de feedback para compensar a resposta de frequência do amplificador operacional.
O circuito de compensação do miller é mostrado abaixo. Nesta técnica, um capacitor é conectado ao feedback com um resistor na saída.
O circuito é um amplificador de feedback negativo simples com ganho de inversão dependente de R1 e R2. O R3 é o resistor nulo e o CL é a carga capacitiva na saída do amplificador operacional. CF é o capacitor de feedback que é usado para fins de compensação. O capacitor e o valor do resistor dependem do tipo de estágio do amplificador, da compensação do polo e da carga capacitiva.
Técnicas de Compensação de Frequência Interna
Amplificadores operacionais modernos possuem técnica de compensação interna. Na técnica de compensação interna, um pequeno capacitor de feedback é conectado dentro do IC do amplificador operacional entre os segundos estágios do transistor emissor comum. Por exemplo, a imagem abaixo é o diagrama interno do popular amplificador operacional LM358.
O capacitor Cc é conectado ao Q5 e Q10. É o Capacitor de compensação (Cc). Este capacitor de compensação melhora a estabilidade do amplificador e também evita a oscilação e o efeito de toque na saída.
Compensação de frequência do amp-op - simulação prática
Para entender a compensação de frequência de forma mais prática, vamos tentar simulá-la considerando o circuito abaixo -
O circuito é um amplificador de feedback negativo simples usando LM393. Este op-amp não tem nenhum capacitor de compensação embutido. Vamos simular o circuito no Pspice com um 100pF de carga capacitiva e vai verificar como ela irá funcionar em baixa e alta freqüência de operação.
Para verificar isso, é necessário analisar o ganho de malha aberta e a margem de fase do circuito. Mas é um pouco complicado para o pspice, pois simular o circuito exato, conforme mostrado acima, representará seu ganho de malha fechada. Portanto, considerações especiais precisam ser tomadas. A etapa para converter o circuito acima para simulação de ganho de malha aberta (ganho vs fase) em pspice é declarada abaixo,
- A entrada é aterrada para obter a resposta de feedback; a entrada de malha fechada para a saída é ignorada.
- A inversão de entrada é dividida em duas partes. Um é o divisor de tensão e outro é o terminal negativo do amplificador operacional.
- Duas partes são renomeadas para criar dois nós separados e propósitos de identificação durante a fase de simulação. A seção do divisor de tensão é renomeada como feedback e o terminal negativo é renomeado como entrada Inv. (Invertendo a entrada).
- Esses dois nós interrompidos são conectados a uma fonte de tensão 0 Vcc. Isso é feito porque, a partir do termo de tensão CC, ambos os nós têm a mesma tensão, o que é essencial para que o circuito satisfaça o requisito do ponto de operação atual.
- Adicionando a fonte de tensão com 1V do estímulo AC. Isso força a diferença de tensão de dois nós individuais a se tornar 1 durante a análise AC. Uma coisa é essencial neste caso, que a relação entre o feedback e a entrada inversora seja dependente do ganho de malha aberta do circuito.
Depois de fazer as etapas acima, o circuito fica assim -
O circuito é alimentado usando um trilho de fonte de alimentação 15V +/-. Vamos simular o circuito e verificar seu gráfico de bode de saída.
Como o circuito não tem compensação de frequência, como esperado, a simulação está mostrando alto ganho em baixa frequência e baixo ganho em alta frequência. Além disso, ele está mostrando uma margem de fase muito pobre. Vamos ver qual é a fase com ganho de 0dB.
Como você pode ver, mesmo com ganho de 0dB ou crossover de ganho unitário, o amplificador operacional está fornecendo 6 graus de mudança de fase com apenas 100pF de carga capacitiva.
Agora vamos improvisar o circuito adicionando um resistor de compensação de frequência e um capacitor para criar uma compensação de Miller no amplificador operacional e analisar o resultado. Um resistor nulo de 50 ohms é colocado no amplificador operacional e na saída com um capacitor de compensação de 100pF.
A simulação está feita e a curva se parece com a abaixo,
A curva de fase está muito melhor agora. A mudança de fase no ganho de 0dB é de quase 45,5 graus. A estabilidade do amplificador é altamente aumentada usando a técnica de compensação de frequência. Portanto, está comprovado que a técnica de compensação de frequência é altamente recomendada para a melhor estabilidade do op-map. Mas a largura de banda diminuirá.
Agora entendemos a importância da compensação de frequência do amp op e como usá-lo em nossos projetos de amp op para evitar problemas de instabilidade. Espero que você tenha gostado de ler o tutorial e aprendido algo útil. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a em nossos fóruns ou na seção de comentários abaixo.