Zwykła sytuacja w przypadku większości wzmacniaczy operacyjnych polega na tym, że można „zawiesić” pojemność na wyjściu do małej wartości (powiedzmy) 100 pF, a następnie, jeśli zwiększysz tę pojemność, wzmacniacz operacyjny źle się zachowuje i zmienia się w oscylator. W przypadku tego urządzenia (jak w przypadku większości wzmacniaczy operacyjnych) pojemność ta jest pokazana w arkuszu danych na około 150 pF. Rysunek 41 pokazuje, że przy podłączeniu 150 pF wyjście utrzymuje oscylacje. Przy podłączeniu 130 pF występuje przeregulowanie i tłumione dzwonienie, więc w rzeczywistości nie powinno przekraczać 100 pF. Nie nazwałbym tego praktyczną zasadą, ponieważ niektóre wzmacniacze operacyjne będą „śpiewać” przy podłączonych 22 pF. Jak zawsze przeczytaj arkusz danych.
\ $ \ color {blue} {\ text {Ale co, jeśli na wyjściu utkniesz kilka uF?}} \ $
Są szanse, że nie będzie też oscylował (nawet jeśli arkusz danych nie wydaje się wyraźnie tego określać). Jak to możliwe, możesz zapytać, lub skąd mam wiedzieć, że nie będzie oscylować, może być innym pytaniem. Odpowiedź można znaleźć w większości arkuszy danych, ale musisz zagłębić się i szczegółowo przeanalizować.
Weźmy na przykład rysunek 10: -
Co to może nam powiedzieć, możesz zapytać. Mówi mi, że wewnętrzna rezystancja stopnia wyjściowego tranzystora wynosi około 125 omów pod obciążeniem. Przy \ $ V_ {DD} \ $ przy 5 V, powinieneś być w stanie zobaczyć, że nachylenie linii wynosi około 1 V na 8 mA (zgodnie z moim czerwone dodatki). To jest rezystancja wyjściowa 125 omów. Później \ $ ^ 1 \ $ wspomnę o scenariuszu małego obciążenia (niebieskie bazgroły).
Dalej jest charakterystyka wzmocnienia w otwartej pętli na rysunku 33: -
Pozwoliłem sobie narysować czerwoną linię przy zdobywaniu jedności. Czy przy wzmocnieniu jedności (około 3 MHz) widać, że linia przesunięcia fazowego odpowiada około 150 stopniom? Oznacza to, że jest 30 stopni od tego, aby stać się oscylatorem, czyli 30 stopni od zwykłego odwracającego sprzężenia zwrotnego, które staje się nieodwracającym (lub dodatnim) sprzężeniem zwrotnym. Te 30 stopni nazywa się „marginesem fazy” i chcesz, aby był jak największy, aby zredukować przeregulowanie i (nie daj Boże) uniknąć zmiany obwodu w oscylator.
Aby lepiej to zobaczyć, dodałem wyniki symulacji. Oto pierwszy: -
Dodanie 100 pF przesuwa margines fazy w dół, tj. margines 30 stopni staje się mniejszy. O ile mniej się to staje, możesz zapytać. Odpowiedź zaczyna się na rysunku 10, gdzie oszacowałem rezystancję wyjściową wzmacniacza operacyjnego i otrzymałem 125 omów.
Ta rezystancja plus 100 pF tworzy filtr dolnoprzepustowy o odcięciu 12,7 MHz. Przy tej częstotliwości dodatkowe przesunięcie fazowe wynosi 45 stopni. Ale, co ważne, przy 3 MHz przesunięcie fazowe wynosi tylko około 12 stopni. Dlatego przy 100 pF podłączonych do wyjścia nasz margines fazowy zmniejszył się z 30 stopni do 18 stopni. Użyłem tego narzędzia, aby pomóc mi zwizualizować to przesunięcie fazowe. Mógłbym to obliczyć, ale po co zawracać sobie głowę, skoro pan Okawa zapewnia takie fajne narzędzia.
Ponownie dodałem wynik symulacji: -
Jeśli pojemność wynosiła 150 pF, odcięcie zmniejszyło się do 8,4 MHz, ale co ważne, przy 3 MHz, przesunięcie fazowe wynosi 20 stopni, a margines fazy wyjściowej zmniejszył się do zaledwie 10 stopni. Sugeruje to, że urządzenie nie oscyluje, ale używam tylko typowych wartości, a nie najgorszego przypadku.
\ $ \ color {blue} {\ text {Ale co, jeśli na wyjściu utkniesz kilka uF?}} \ $
Jeszcze nie odpowiedziałem, ale proszę bardzo.
Przy 10 nF na wyjściu daje to częstotliwość odcięcia 127 kHz przy równoważnej wewnętrznej rezystancji wyjściowej 125 omów. A jeśli spojrzysz na wykres wzmocnienia w otwartej pętli, zobaczysz, że margines fazy wynosi około 80 stopni, więc na pierwszy rzut oka możesz być w stanie użyć 10 nF, ale przy 1 MHz margines fazy wynosi 70 stopni ORAZ 10 nF i 125 omów powoduje dodatkowe przesunięcie fazowe o około 82 stopnie, stąd gdzieś nieco poniżej 1 MHz wzmacniacz operacyjny wyśpiewałby swoje serce w ciągłej oscylacji.
Dodałem kolejny wynik symulacji, aby to pokazać (będzie oscylował wokół 500 kHz): -
Tak więc, oto sedno tego, do czego zmierzam: -
Gdy częstotliwość jest niska, naturalny margines fazy wzmacniacza operacyjnego jest zawsze dobry. Na przykład przy 300 Hz margines fazy wynosi 120 stopni, a dodanie 1 uF do wyjścia zmniejsza margines do około 105 stopni. Gdybyśmy podnieśli częstotliwość do 10 kHz, naturalny margines fazy wzmacniacza operacyjnego wynosi około 92 stopni, a kondensator wyjściowy zmniejsza go do około 10 stopni.
Ale ogólne wzmocnienie spadnie z powodu kondensatora wyjściowego. Przy 10 kHz wzmocnienie w otwartej pętli wynosi około 300 (50 dB), ale dodatkowa strata wzmocnienia spowodowana przez kondensator wynosi około 20 dB. Nadal uważam, że jest prawdopodobne, że 1 uF wytrzyma oscylacje, ale co z 10 uF?
10 uF wprowadza dodatkową utratę wzmocnienia o 50 dB przy 10 kHz, a margines fazowy wyniósłby około 2 stopnie (przy założeniu całkowitego dodanego przesunięcia fazowego o 90 stopni od kondensatora i rezystora wyjściowego i nie może być żadne) więcej niż to). Myślę, że to może nadal oscylować. To jest granica.
Dodano symulację 10 uF pokazującą, że jest to bardzo granica: -
Po dodaniu 100 μF wzmacniacz operacyjny byłby wolny od jakichkolwiek problemów, ponieważ tłumienie kondensatora wyjściowego i rezystora wynosi 60 dB (przy 10 kHz), a oscylacja nie może być utrzymana.Innymi słowy, naturalny margines fazowy wzmacniacza operacyjnego nigdy nie mógłby być wartością, której dodanie kolejnych 90 stopni dałoby zysk netto większy niż 1.
Na zakończenie symulacja 100 μF: -
Niebieskie bazgroły \ $ ^ 1 \ $ - przy bardzo niewielkim obciążeniu rezystancja wyjściowa wzmacniacza operacyjnego może wynosić 500 omów i to ma ten sam efektjako zwiększenie pojemności 4 razy.Skutkiem tego (na przykład, gdy zalałeś pin wyjściowy 10 uF) jest to, że wyjście będzie najprawdopodobniej stabilne, ale gdy pobierałeś więcej prądu wyjściowego, rezystancja dynamiczna spada do 125 omów i obwód może nagle stać się niestabilny.Wiele Pro EE zauważyło od czasu do czasu podobny efekt.