PA92 OPAMP-Phasenkompensation

Ich habe Probleme, die Phasenkompensation am PA92-Operationsverstärker zu verstehen. Zuerst erkläre ich schnell die Schaltung, die ich baue.

 

1. Die Schaltung

Ich verwende eine 200-V-Batterie und möchte einen virtuellen Gnd für meine Schaltung erstellen. Der PA92 OPAMP ist dafür die ideale Komponente, da er mit Hochspannungsversorgungen (bis zu 500 V) betrieben werden kann. Unten sehen Sie die Schaltung, die ich gebaut habe:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

R1 und R2 erzeugen eine Referenzspannung, die auf 0 V ausgerichtet ist. Die Kondensatoren C1 und C2 sorgen für eine gewisse Stabilität der Referenz.

D1 und D2 sind 3V6-Zenerdioden, die die Eingänge nahe beieinander halten. Eine differentielle Eingangsspannung von mehr als 20 V kann den OPAMP beschädigen.

Das Datenblatt des OPAMP finden Sie hier: https://www.apexanalog.com/resources/products/pa92u.pdf

 

2. Phasenkompensation

Dieser OPAMP verfügt über eine "Phasenkompensation"-Funktion. Sie müssen Pin 4 mit Pin 5 über eine RC-Schaltung verbinden. Die Wahl der Widerstands- und Kondensatorwerte definiert die Phasenkompensation des OPAMP. Das Datenblatt erklärt kurz:

Der PA92 ist extern kompensiert und die Leistung kann an die Anwendung angepasst werden. Verwenden Sie die Diagramme der Kleinsignalantwort und der Leistungsantwort als Richtlinie. Der Kompensationskondensator C C muss für eine Betriebsspannung von 500 V ausgelegt sein. Ein NPO-Kondensator wird empfohlen. Das Kompensationsnetzwerk C C R C muss nahe an den Verstärkerpins 4 und 5 montiert werden, um Störschwingungen zu vermeiden.

Dies sind die Diagramme „Kleinsignalantwort“ und „Leistungsantwort“:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das Datenblatt enthält auch diese Tabelle:

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3. Das Problem erklärt

Ich muss zugeben, dass ich nicht ganz verstehe, was diese Phasenkompensation eigentlich bewirkt. Damit sich die Komponente wie ein allgemeiner Alltags-OPAMP verhält, dachte ich, ich müsste die letzte Zeile aus der Tabelle auswählen (10pF, 0Ω). Ich könnte mich nicht mehr irren. Der Ausgang oszilliert bei etwa 60 V Spitze-zu-Spitze, wie Sie auf meinem Oszilloskop-Screenshot sehen können:

> YELLOW: V+ input
> BLUE:   V- input
> PURPLE: Vout

> Horizontal: 400ns per division, 10 divisions in total
> Vertical:   10V per division, 8 divisions in total

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hinweis: Für diesen Test habe ich zwei Batterien in Reihe mit jeweils 100 V verwendet, sodass ich eine echte Gnd genau in der Mitte habe. Diese Oszilloskop-Screenshots sind Messungen bezüglich dieses echten Gnd.

 
Ich habe dann die CC- und R C- Werte auf 100 pF bzw. 100 Ω geändert. Dies entspricht der zweiten Zeile in der Tabelle. Ich bekomme jetzt diese Ausgabe:

> YELLOW: V+ input
> BLUE:   V- input
> PURPLE: Vout

> Horizontal: 1us per division, 10 divisions in total
> Vertical:   1V per division, 8 divisions in total

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es gibt immer noch eine Schwingung, aber es sind nur 5,5 V Spitze-zu-Spitze (beachten Sie die unterschiedliche Skala!).

 
Abschließend möchte ich einen Test mit C C und R C gleich 150 pF und 100 Ω durchführen. Ich werde dafür 150pF-Kondensatoren bestellen. Hoffentlich gibt es keine Schwingungen mehr.

 

4. Meine Fragen

Ich habe grundsätzlich zwei Fragen. Eine theoretische und eine praktische:

  1. Was bewirkt diese „Phasenkompensation“-Funktion des PA92 eigentlich?

  2. Was ist dieser "Gewinn" aus der kleinen Tabelle im Datenblatt? Open-Loop oder Closed-Loop? Bei welcher Frequenz?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  1. Welchen praktischen Rat können Sie geben, um diese Schwingungen loszuwerden? Ich bin wirklich verwirrt, das hätte ich bei einem so einfachen Spannungsfolger nie erwartet ...

 

5. Notizen

  • Die Schaltung, die ich oben gezeichnet habe, ist wirklich alles, was ich auf die Platine gelegt habe. Im Moment ist die einzige Last der 100-kΩ-Widerstand.

  • @laptop2d sagt, dass die Funktion "Phasenkompensation" es dem OPAMP ermöglicht, bei hohen Frequenzen schneller zu reagieren. Kurz gesagt, kann ich diese Funktion als eine Möglichkeit betrachten, die „Anstiegszeit“ und „Abfallzeit“ von Vout einzustellen? Also könnte ich es von etwa 5 V/µs auf 50 V/µs einstellen?

F: Warum brauchen Sie das? Sind Sie sicher, dass Sie eine virtuelle Erdung im Stromkreis mit schwebender Batteriequelle benötigen?
Ja, das brauche ich.
Der PA92 ist im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Jellybean-Operationsverstärkern nicht stabil und erfordert eine Kompensation, wenn er als Puffer mit Einheitsverstärkung verwendet wird
Hallo @stobbe. Würde das Anwenden von R = 100 und C = 150p auf diese speziellen Pins dazu führen, dass der Operationsverstärker "Unity Gain Stable" macht? Oder brauche ich andere Korrekturen?
Hallo @K.Mulier Ja, die Anwendung der von Ihnen beschriebenen RC-Werte ergibt einen stabilen Verstärker mit Einheitsverstärkung. Sie können auch auf andere Stabilitätsprobleme mit einer kapazitiven Last an Ihrem Verstärker mit virtueller Masse stoßen.

Antworten (2)

Was bewirkt diese „Phasenkompensation“-Funktion des PA92 eigentlich?

Kurz gesagt, es ermöglicht dem Operationsverstärker, bei hohen Frequenzen schneller zu reagieren, mit anderen Worten, eine hohe Verstärkung bei höheren Frequenzen. Da Ihre Anwendung hauptsächlich mit Gleichstrom arbeitet, würde ich die Kompensation auf 150pf einstellen, da Sie die zusätzliche Verstärkung\Bandbreite bei hohen Frequenzen nicht benötigen.

Welchen praktischen Rat können Sie geben, um diese Schwingungen loszuwerden? Ich bin wirklich verwirrt, das hätte ich bei einem so einfachen Spannungsfolger nie erwartet ...

Dies ist kein einfacher Spannungsfolger, da Sie 20 k in der Rückkopplungsschleife und den Dioden haben. Die Dioden fügen eine kleine Kapazität hinzu, es kann auch eine kleine Induktivität durch die Verdrahtung der Schaltung geben. Die Rückkopplungsschleife hat einen Resonanzpunkt von einem dieser Dinge und liegt bei 375 kHz.

Da ich zu faul bin, dies zu simulieren, sind die 20k-Widerstände nicht erforderlich, da die Eingänge des Operationsverstärkers hochohmig sind und die einzige andere Verbindung die 150k-Widerstände sind, die Ihnen im schlimmsten Fall einen Nebenschlussstrom von 1 mA durch die Dioden geben, wenn Die 20k Widerstände sind nicht da.

Wenn dies nicht funktioniert, versuchen Sie, den Operationsverstärker von einem Spannungsfolger auf eine invertierende Operationsverstärkerkonfiguration umzustellen, und fügen Sie über den Rückkopplungswiderstand einen Kondensator hinzu, um die Bandbreite (und damit einen Tiefpassfilter) auf weniger als 300 kHz zu begrenzen.

 
BEARBEITEN (von @K.Mulier)
Schließlich habe ich es mit R C = 100Ω und C C = 147pF zum Laufen gebracht. Für die anderen PA92-OPAMPs (die in komplexeren Schaltungen verwendet werden) musste ich R C = 100 Ω und C C = 447 pF an die Kompensationsstifte löten . Weitere Details finden Sie im anderen Beitrag.

Hallo @laptop2d. Vielen Dank für Ihre Antwort. Ich habe bereits versucht, den 20k-Widerstand zu entfernen, aber es wurde nur schlimmer. Die Oszillationen sind immer noch vorhanden, und die DC-Komponente von Vout geht ziemlich nahe an die negative Schiene heran. Sehr merkwürdig. Morgen werde ich die Funktion "Phasenkompensation" mit einem 150pF-Kondensator ausprobieren. Wenn ich Ihre Antwort gut verstehe, macht diese "Phasenkompensation" den OPAMP bei hohen Frequenzen nur langsamer / schneller: also eine langsamere / schnellere Anstiegszeit? Normalerweise ausgedrückt in Volt pro Mikrosekunde ...
Übrigens ist der PA92 sehr teuer, wenn Sie dies noch einmal tun würden, könnten Sie Spannungsregler für eine positive und negative Schiene und einen Operationsverstärker mit einem viel niedrigeren Spannungsbereich verwenden, der billiger ist.
Ich brauchte einige PA92 OPAMPS für andere Teile der Schaltung. Während ich sie trotzdem verwende, habe ich nur noch einen hinzugefügt, um den virtuellen Gnd zu erstellen (anstatt es mit anderen Komponenten zu tun). Das hat mir beim Design etwas Zeit gespart. Und es ist nur ein Prototyp, also ist das okay. Ist es trotzdem richtig, diesen Kompensationskondensator als eine Möglichkeit zu betrachten, die "Anstiegszeit" (die pro uns etwa 50 V beträgt) zu verkürzen? Ist es so einfach? Oder geht es um kompliziertere Sachen?
Der Comp-Pin funktioniert wie ein Tiefpassfilter. Sie müssen Ihren Operationsverstärker unter 375 kHz bandbegrenzen.

1. Antwort von Apex Microtechnology

Ich schickte die Frage direkt an Apex Microtechnology und erhielt eine Antwort von Herrn Eric J. Boere (Apex Field Application Engineer, verantwortlich für den europäischen Support). Mit seiner Erlaubnis teile ich seine Antwort mit Ihnen:

Ich habe den Link in Ihrer E-Mail überprüft und alle darin enthaltenen Antworten sind irgendwie richtig, insbesondere die von @sstobbe ; "Der PA92 ist anders als die üblicherweise verwendeten Jellybean-Operationsverstärker. Dieser Verstärker ist nicht stabil und erfordert eine Kompensation, wenn er als Unity-Gain-Puffer verwendet wird."

Wenn Sie sich das kleine Signalantwortdiagramm ansehen, werden Sie sehen, dass die Instabilität durch die Open-Loop-Verstärkung ausgedrückt wird, die bei -60 dB pro Dekade (Oktave) abfällt, wenn sie 1 (0 dB) ist.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ein stabiler Operationsverstärker mit Einheitsverstärkung hätte einen kleinen Signalfrequenzgang gezeigt, der bei -20 dB / Dekade bis hinunter zu und unter 0 dB abfällt, wonach es andere Pol- / Null-Cluster geben könnte, um den Graphen auf -40 dB / Dekade zu biegen oder sogar darüber hinaus.

Um den Operationsverstärker zu stabilisieren, kann die externe Phasenkompensation verwendet werden. Die Phasenkompensationskomponente(n) R C und C C verlangsamen den Operationsverstärker. Stellen Sie sich einfach einen Kondensator vor, der die Reaktion des Transistors Q3 in der Zwischenstufe des äquivalenten Schemas von PA92 verlangsamt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Um die Schwingungen zu beseitigen, verwenden Sie die im Datenblatt empfohlenen Phasenkompensationskomponenten:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Für Ihre Einheitsverstärkung PA92 sollte Cc also 150 pF und Rc 100 Ω betragen. Bitte halten Sie sich an die Empfehlung, einen Cc zu verwenden, der für die volle Versorgungsspannung ausgelegt ist, in Ihrem Fall +100 – (-100) = 200 V (wenn Sie sich das entsprechende Schema oben ansehen, werden Sie verstehen, warum; dieser Kondensator kann es sehen ' fast die volle Versorgungsspannung, da sich die Differenzspannung zwischen Gate und Drain so stark ändern kann, während der Ausgang von (fast!) Schiene zu Schiene getrieben wird). Es wäre sogar noch besser, ein höher bewertetes Teil zu verwenden, beispielsweise einen 500-V-Kondensator. Übrigens: Niemand würde Sie davon abhalten, 220 pF + 100 Ω zu verwenden, damit das Teil nicht schwingt.

Ich empfehle Ihnen dringend, unseren Anwendungshinweis Nr. 01 zu lesen , da er Ihnen bei der Verwendung unserer Leistungs-Opamps viel Zeit sparen kann. Um nur ein paar Dinge zu nennen, auf die Sie achten sollten:

  • Stromversorgung umgehen (andernfalls kann das Teil auch zum Schwingen bringen!)
  • Ausgangsschutz durch (ultra-)schnelle Sperrverzögerungsdioden (wenn Sie reaktive Lasten haben)
  • Eingangsschutz durch (Kleinsignal-)Dioden statt Zenerdioden (weil letztere eine höhere Kapazität aufweisen)
  • Kühlkörper (I q = 14 mA, V SS = 200 V, P q = 2,8 W; das Teil verbraucht 2,8 W und tut nichts!)
  • Usw.

Nicht zuletzt möchte ich Sie auf unser Power Design Tool aufmerksam machen, das Sie hier kostenlos herunterladen können: https://www.apexanalog.com/support/power_design_tool.html

Die Verwendung dieses Tools kann Ihnen auch viel Zeit sparen!

 
Herr Eric J. Boere schickte mir eine weitere Mail, um meine Frage zur Tabelle im Datenblatt zu beantworten:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

 
Danke Eric, dass du mir geholfen hast!

2. Praktische Lösung

2.1 TEST 1: R C = 100 Ω und C C = 147 pF

Auf die Kompensationspins des PA92 habe ich R C = 100Ω und C C = 147pF gelötet . Dies entspricht der ersten Zeile der Tabelle aus dem Datenblatt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Schwingungen sind weg! Zumindest beim PA92 OPAMP, der als reiner Spannungsfolger verwendet wird. Die anderen beiden PA92-OPAMPs, die in der komplizierteren Gyratorschaltung verwendet werden (die eine Induktivität simulieren, die als "Antoniou-Schaltung" bekannt ist) oszillieren immer noch:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

 

2.2 TEST2: RC = 100 Ω und CC = 247 pF

Ich habe einen zusätzlichen Kondensator von 100 pF gelötet, wodurch CC auf 247 pF erhöht wird . Ich habe immer noch Schwingungen in der Antoniou-Schaltung (ca. 10 V Spitze-zu-Spitze), obwohl sich die DC-Komponenten der Signale wie erwartet verhalten:

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2.3 TEST3: RC = 100 Ω und CC = 347 pF

Ich lötete wieder einen zusätzlichen Kondensator und erhöhte C C auf 347pF. Die Schwingungen in der Antoniou-Schaltung werden auf 5 V Spitze-zu-Spitze abgeschwächt (im Vergleich zu 10 V Spitze-zu-Spitze zuvor).

 

2.4 TEST4: RC = 100 Ω und CC = 447 pF

Nachdem noch einmal 100 pF hinzugefügt wurden (C C ist jetzt 447 pF), sind alle Schwingungen in der Antoniou-Schaltung verschwunden:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hinweis: Die drei Oszilloskop-Screenshots, die ich hier von der Antoniou-Schaltung eingefügt habe, können nicht wahllos miteinander verglichen werden. Sie alle haben unterschiedliche Maßstäbe und werden unter unterschiedlichen Eingangsbedingungen gemessen. Leider habe ich keine konsistenten Scope-Screenshots für alle 4 Tests erstellt ( C = 147 pF, C = 247 pF, C = 347 pF, C = 447 pF). Diese Oszilloskop-Screenshots veranschaulichen lediglich die Tatsache, dass Schwingungen abklingen, wenn eine größere Kapazität an den Kompensationsstift des PA92 OPAMP angelegt wird.

 

2.5 Testergebnisse

Die Schlussfolgerungen, die ich aus diesen Testergebnissen ziehe, sind:

  • Der als einfacher Spannungsfolger verwendete PA92 OPAMP funktioniert gut mit R C = 100Ω und C C = 147pF.

  • Die in der Antoniou-Schaltung (Gyrator zur Simulation einer Induktivität) verwendeten PA92-OPAMPs benötigen R C = 100 Ω und C C = 447 pF, um Schwingungen zu eliminieren.

PA92 OPAMP-Phasenkompensation
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