Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?

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

Характеристики входных емкостей операционных усилителей часто путают или вовсе игнорируют. Давайте уточним, как наилучшим образом использовать эти параметры.

Входная емкость на инвертирующем входе может влиять на устойчивость схемы с ОУ, вызывая фазовый сдвиг – задержку сигнала обратной связи, возвращаемого на инвертирующий вход. Цепь обратной связи совместно со входной емкостью создают нежелательный полюс. Изменение импеданса цепи обратной связи с учетом величины входной емкости является важным шагом для обеспечения устойчивости схемы усилителя. Но какую емкость использовать в расчетах? Дифференциальную? Синфазную? Обе?

Входная емкость ОУ, как правило, приводится в документации совместно со значением входного импеданса, это касается как дифференциальной, так и синфазной емкостей (таблица 5).

Таблица 5. Значения входного импеданса приводятся совместно со значениями дифференциальной и синфазной емкостей

Входной импеданс Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Дифференциальный 100//6 МОм//пФ
Синфазный 6000//2 МОм//пФ

Полная входная емкость моделируется как синфазная емкость каждого входа и дифференциальная емкость между входами (рисунок 39). Поскольку у операционного усилителя с биполярным питанием отсутствует подключение к земле, необходимо рассматривать синфазные емкости как подключенные к выводу питания V-, который является в данном случае эквивалентом заземления для сигналов переменного тока (AC).

Рис. 39. Входная емкость моделируется как синфазная емкость каждого входа и дифференциальная емкость между входами

Рис. 39. Входная емкость моделируется как синфазная емкость каждого входа и дифференциальная емкость между входами

На высоких частотах, где обеспечению устойчивости следует уделять особое внимание, операционный усилитель имеет небольшой коэффициент усиления разомкнутого контура, и между двумя входами существует значительное напряжение переменного тока. Это приводит к тому, что дифференциальная емкость совместно с синфазной емкостью инвертирующего входа вызывает изменение фазы сигнала обратной связи. Таким образом, мы имеем две дополнительные емкости, подключенные к инвертирующему входу. Кроме того, не стоит забывать и о паразитной емкости электрических проводников (около 2 пФ). В итоге общая емкость создает полюс совместно с сопротивлением параллельно включенных резисторов обратной связи (R1//R2) (рисунок 40).

Рис. 40. Расчет полюса, образованного входной емкостью и сопротивлением цепи обратной связи

Рис. 40. Расчет полюса, образованного входной емкостью и сопротивлением цепи обратной связи

Существует следующая стандартная рекомендация для обеспечения устойчивости усилителя: частота полюса должна быть как минимум в два раза больше, чем ширина полосы пропускания усилителя с замкнутым контуром ОС. Полюс, отвечающий этому требованию, уменьшает запас по фазе примерно на 27°. Обычно эта рекомендация хорошо работает для большинства схем с коэффициентом усиления замкнутого контура, равным двум или более. Приложения с более жесткими установками или с емкостной нагрузкой требуют еще большего запаса по фазе. В таких случаях следует уменьшить импеданс цепи обратной связи или рассмотреть возможность совместного параллельного включения конденсатора и резистора обратной связи R2.

Современные ОУ общего назначения часто имеют широкую полосу пропускания 5…20 МГц и более. Резисторы в цепи обратной связи, нормально работавшие в схемах с ОУ с полосой 1 МГц, теперь могут создавать проблемы. Это требует внимательности при проверке устойчивости разработанных схем.

Если макромодель операционного усилителя точно учитывает входные емкости ОУ, то SPICE-моделирование оказывается очень полезным инструментом при проверке чувствительности схемы ко входной емкости и импедансу обратной связи. При анализе отклика схемы на входной прямоугольный сигнал 1 мВ не должно проявляться чрезмерного перерегулирования или возникать колебаний. Однако, следует помнить, что реальность часто преподносит сюрпризы, несмотря на выполнение рекомендаций и проведение моделирования. Для таких схем может потребоваться дополнительная настройка при окончательном макетировании печатной платы.

Список всех 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
  14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
  15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее

Товары
Наименование
OPA1652AID (TI)
OPA1652AIDGK (TI)
OPA1652AIDRGT (TI)
OPA1652AIDGKR (TI)
OPA1652AIDR (TI)
OPA1652AIDRGR (TI)