Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой

15 декабря 2018

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. 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.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Я оценивал устойчивость операционных усилителей, анализируя, каким образом фазовый сдвиг (его можно назвать также задержкой) в цепи обратной связи приводит к возникновению колебаний. Поднятая в статьях «Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины» и «Приручаем нестабильный ОУ» проблема с устойчивостью при емкостной нагрузке довольно непроста.

Здесь главным источником проблем становится выходное сопротивление операционного усилителя с разомкнутой обратной связью (Ro), которое на самом деле не является резистором в буквальном смысле этого слова. Это эквивалентное сопротивление, зависящее от внутренней схемы ОУ. Невозможно изменить его без изменения самого операционного усилителя. Пусть C_L – емкость нагрузки. При работе с такой емкостью вы автоматически получаете полюс, определяемый значениями R_o и C_L. Полюс на частоте 1,8 МГц в контуре обратной связи 20 МГц операционного усилителя с G = 1 способен вызвать проблемы. Это хорошо видно на рисунке 32.

Рис. 32. Полюс 1,8 МГц в контуре обратной связи 20-МГц операционного усилителя с G = 1 (слева) вызывает нежелательные осцилляции

Существующие решения этой проблемы основаны на одном и том же принципе – они замедляют работу усилителя. Представьте: контур имеет фиксированную задержку, определяемую R_o и C_L. Чтобы работать с такой задержкой, усилитель должен реагировать медленнее, чтобы не «проскакивать» требуемое значение выходного напряжения.

Хорошим способом замедления работы ОУ является увеличение коэффициента усиления. Более высокий коэффициент усиления уменьшает полосу пропускания усилителя с замкнутым контуром. На рисунке 33 показано, как OPA320 работает с той же емкостной нагрузкой 1 нФ, но с коэффициентом усиления 10. Реакция на ступенчатое изменение значительно улучшилась, но по-прежнему остается посредственной. Если увеличить коэффициент усиления до 25 и более – можно получить еще более достойный результат.

Рис. 33. Использование ОУ в схеме с коэффициентом усиления 10 уменьшает полосу пропускания усилителя с замкнутым контуром, однако улучшения не кардинальны

Есть еще один хитрый трюк. На рисунке 34 по-прежнему представлена схема с коэффициентом усиления 10, но с дополнительным конденсатором C_c, который еще больше замедляет работу ОУ, направляя ее в правильное русло. Если величина C_c окажется недостаточной – реакция схемы будет похожа на рисунок 33. При слишком большой емкости C_c можно столкнуться с неприятностями, показанными на рисунке 32.

Рис. 34. Использование той же схемы и дополнительного конденсатора Cc 12 пФ, включенного параллельно с резистором обратной связи, позволяет добиться идеального отклика

Получение оптимальной компенсации – это задача, которую можно решить с помощью анализа Боде. Конечно, в преодолении обозначенных проблем серьезно поможет интуиция, однако для перехода на качественно новый уровень при расчете цепей компенсации без господина Боде не обойтись.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
7. Входной импеданс против входного тока смещения
8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
13. Приручаем нестабильный ОУ

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ