Was ist das Besondere an „Unity Gain Stable“?

Wie in opamp Datenblatt erwähnt, wie diese ein. Ich würde denken, dass die Stabilität bei höheren Gewinnen aufgrund von Oszillation ein Problem darstellt. Was sind die Probleme mit dem Gewinn der Einheit?

Die Stabilität hängt nicht nur von der Verstärkung ab, sondern auch von der Phase. Wenn ein invertierender Verstärker eine Phasenverschiebung von 180 ° aufweist, beträgt die gesamte Phasenverschiebung 360 °, und eines der Barkhausen-Kriterien für die Oszillation ist erfüllt.

Verstärker unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit, stabil zu sein, selbst wenn die externe Schaltung optimal ist. Um das Stabilitätspotential für einen bestimmten Verstärkertyp zu bewerten, werden Grafikdaten sowohl für "Verstärkung gegen Frequenz" als auch für "Phase gegen Frequenz" des Verstärkers mit offener Schleife benötigt. Wenn die Phasenantwort! 180E bei einer Frequenz aufweist, bei der die Verstärkung über 1 liegt, wird die negative Rückkopplung zu einer positiven Rückkopplung und der Verstärker wird tatsächlich eine Oszillation aushalten. Selbst wenn die Phasenverzögerung weniger als! 180E beträgt und keine anhaltende Oszillation auftritt, kommt es zu einem Überschwingen und der Möglichkeit von Oszillationsbursts, die von externen Rauschquellen ausgelöst werden, wenn der Phasengang nicht für alle Frequenzen "ausreichend kleiner" als -180 ° ist wo der Gewinn über der Einheit liegt. Die "ausreichend weniger" Phasenrand . Wenn die Phasenantwort -135 ° beträgt, beträgt der Phasenabstand 45 ° (der Betrag "weniger als" -180 °). Tatsächlich muss die interessierende Phasenspanne zur Bewertung des Stabilitätspotentials auch die Phasenantwort der Rückkopplungsschaltung umfassen . Wenn dieser kombinierte Phasenabstand 45 ° oder mehr beträgt, ist der Verstärker ziemlich stabil. Die 45 ° -Zahl ist eine Faustregel, und ein größerer Phasenabstand ergibt eine noch bessere Stabilität und ein geringeres Überschwingen.

Oft, aber nicht immer, liegt der niedrigste Phasenabstand bei der höchsten Frequenz, deren Gewinn über eins liegt. weil es immer eine frequenzunabhängige Verzögerung gibt, die bei höheren Frequenzen mehr Grad darstellt. Ein Verstärker mit einem Phasenabstand von 45E bei der höheren Frequenz der Verstärkung mit offener Schleife von Eins wird als "stabile Verstärkung von Eins" bezeichnet. Optional können die meisten Verstärkertypen bei gewissen Einbußen bei der Anstiegsrate oder beim Hochfrequenzrauschen auf die Stabilität der Verstärkung von Eins eingestellt werden. Wenn die Stabilität eine hohe Priorität hat, muss ein Kompromiss eingegangen werden. Einheitsverstärkung stabil bedeutet stabilen Betrieb bei der niedrigsten Regelverstärkung, bei der die Stabilität normalerweise am schlechtesten ist.

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Warum ist Unity Feedback für die Stabilität am schwierigsten?

Die Verstärkung der Einheit wird durch Anwenden von 100% Rückkopplung auf einen Verstärker mit hoher Verstärkung erreicht. Es kommt zu einer Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang, und eine Oszillation tritt auf, wenn die Phasenverschiebung bei jeder Frequenz gleich oder größer als 180 Grad ist, bei der die Verstärkung der offenen Schleife größer als eins ist (tatsächlich immer in der Praxis bei einem Frequenzbereich).

Die Situation mit hoher Rückkopplung bei Eins-Gewinn ist ungefähr die schwierigste, bei der eine Frequenz (normalerweise am oberen Rand des Antwortbereichs) mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad vermieden werden kann.

In der Praxis ist "nur weniger als 180 Grad" nicht gut genug, da Verstärker, die sich der Oszillation nähern, "klingeln" und ein unerwünschtes Einschwingverhalten bei schnellen Flanken oder bei Signalen mit höheren Frequenzanteilen erzeugen. Daher ist ein gewisser Grad an "Phasenreserve" erforderlich, damit die Phasenverschiebung über das System hinweg bei allen auftretenden Frequenzen 180 Grad nicht überschreitet, um den Verstärker von Bereichen fernzuhalten, in denen er sich schlecht zu verhalten beginnt.

Nützlich Jensen AN001 - Einige Tipps zur Stabilisierung von Operationsverstärkern

Negatives Feedback stabilisiert Verstärker, während positives Feedback sie destabilisiert.

Aufgrund des parasitären Widerstands und der Kapazität wirkt ein Verstärker zwangsläufig als Tiefpassfilter. Dies bedeutet, dass zusätzlich zur Dämpfung eine Phasenverschiebung auftritt. Je mehr Stufen ein Verstärker hat, desto mehr Potenzial besteht für Phasenverschiebungen.

Der Frequenzgang eines Verstärkers mit zwei oder mehr Stufen (dh so gut wie alle Operationsverstärker) enthält mehrere Pausenfrequenzen. Bei jeder Unterbrechungsfrequenz nimmt die Phasenverschiebung zu. Nach der ersten Unterbrechungsfrequenz gibt es eine Phasenverschiebung von ungefähr 90 Grad, nach der zweiten Unterbrechungsfrequenz eine Phasenverschiebung von ungefähr 180 Grad (und so weiter, aber wir kümmern uns wirklich nur um die ersten beiden).

Eine 180-Grad-Phasenverschiebung verwandelt negative Rückkopplung in positive Rückkopplung. Das ist ein Problem. Wenn die "Schleifenverstärkung" des Rückkopplungspfads an diesem Punkt eins oder mehr beträgt, schwingt der Verstärker.

Deshalb müssen wir unsere Verstärker so konstruieren, dass die Verstärkung in der Rückkopplungsschleife auf weniger als eins abfällt, bevor die zweite Unterbrechungsfrequenz erreicht wird. OP-AMP-Hersteller tun dies, indem sie ihren Verstärkern absichtlich eine Kapazität (als "Kompensation" bezeichnet) hinzufügen, um die Frequenz des ersten Unterbrechungspunkts und damit die Verstärkung am zweiten Unterbrechungspunkt zu verringern. Dies reduziert natürlich die Bandbreite unseres Verstärkers.

Die Verstärkung in der Rückkopplungsschleife hängt jedoch nicht nur vom Verstärker, sondern auch vom Rückkopplungsteiler ab. Je höher die Regelverstärkung Ihres Verstärkers ist, desto geringer ist die Verstärkung in der Rückkopplungsschleife. Der nicht invertierende Verstärker mit Einheitsverstärkung ist der ungünstigste Fall, da er 100% des Ausgangs an den Eingang zurückführt. Verstärker mit niedriger Verstärkung benötigen daher eine größere Kompensationskapazität als Verstärker mit hoher Verstärkung.

Hersteller von Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärkern haben also die Wahl. Manchmal wird dies durch unterschiedliche Verstärkermodelle für Anwendungen mit geringer und hoher Verstärkung erreicht. Manchmal (zum Beispiel beim AD8021) wird der Kompensationskondensator extern angeschlossen.