Was bedeutet der Parameter "Phase Margin" eines Operationsverstärkers?

Ich habe das Datenblatt von MCP6072 gelesen . Ich habe einen Parameter gesehen, nämlich "Phase Margin" (Tabelle 1-2, Seite 4). Soweit ich weiß, ist "Phasenreserve" ein Begriff aus der Steuerungstechnik und impliziert die Phasendifferenz zwischen Eingang und Ausgang, wenn die Verstärkung eins ist. Ich verstehe die Bedeutung dieses Begriffs in der Opamp-Terminologie nicht. Die typische Phasenspanne dieses Operationsverstärkers wird mit 57 o angegeben . Das was bedeutet es?

Antworten (4)

Die Phasenreserve PM ist ein Maß für die Stabilität eines rückgekoppelten Systems. Und damit auch für Operationsverstärker. Der PM wird für den LOOP GAIN des Systems definiert - das bedeutet: Öffnen Sie die Schleife an einem geeigneten Knoten und messen/simulieren Sie die Verstärkung und die Phase um die gesamte Schleife herum. Dann ist die PM die DIFFERENCE zwischen der gemessenen Phase und -360 Grad (dh der "Abstand" zum Oszillationszustand, positive Rückkopplung) bei der Frequenz, die eine Einheitsschleifenverstärkung ergibt. Ohne Berücksichtigung der Phaseninversion am invertierenden Eingang ist PM der "Abstand" zu -180 Grad.

Für einen Operationsverstärker ergibt sich nun die kritischste Situation für 100% Rückkopplung (Unity-Gain-Betrieb). In diesem Fall ist der Rückkopplungsfaktor Eins und die Schleifenverstärkung ist identisch mit der Open-Loop-Verstärkung Ao des Operationsverstärkers. Normalerweise wird nur diese Bedingung verwendet, um die PM im Datenblatt des Operationsverstärkers anzugeben.

Zusammenfassung: Der PM, wie er für einen Operationsverstärker angegeben ist, ist der UNTERSCHIED zwischen der Phasenverschiebung des Operationsverstärkers und -180 Grad bei der Einheitsverstärkungsfrequenz.

Ein Operationsverstärker ist ein "Steuersystem", und die Phasenreserve ist definiert als die Differenz von -180 Grad der Phase der Open-Loop-Übertragungsfunktion, wenn die Größe Eins ist. Auf diese Weise können Sie die Stabilität und Reaktion des Systems vorhersagen, wenn Sie die Schleife mit einer bestimmten Menge an Feedback schließen.

Ein Operationsverstärker wird normalerweise mit einem dominanten Pol kompensiert, sodass die Übertragungsfunktion ungefähr Ao/(1+s/wo) beträgt, wobei wo die Frequenz des dominanten Pols und Ao die DC-Verstärkung ist. Dies impliziert einen Phasenspielraum von 90 Grad. In der Praxis verursacht die Ft der Transistoren eine zusätzliche Phasenverschiebung, und der dominante Pol wird so eingestellt, dass die 0-dB-Überkreuzung mit einem angemessenen Phasenspielraum auftritt.

@VladimirCravero LvW hat Recht, es ist nicht das Feedback-Netzwerk, es ist die gesamte Open-Loop-Übertragungsfunktion. Auf einem Datenblatt können sie nicht wissen, was Sie um einen Operationsverstärker wickeln werden, daher geben sie den Phasenabstand der Open-Loop-Übertragungsfunktion des Verstärkers selbst an. Machen Sie daraus einen Unity-Gain-Buffer und Sie kennen den Phasenrand. Eine reine resistive Rückkopplung, um mehr Verstärkung zu erzielen, ist stabiler, dh die Datenblattnummer ist der ungünstigste Fall im "normalen" Betrieb. (Obwohl es viele Situationen wie kapazitive Lasten gibt, die Probleme verursachen können.)
Die OL-Übertragungsfunktion eines durch einen dominanten Pol gekennzeichneten Operationsverstärkers hat einen Phasenabstand von praktisch 90°. Sie haben Ihren Pol bei einigen Hz, überqueren die 0 dB bei etwa 100 kHz, sodass die Phase für alle praktischen Zwecke 90 ° beträgt. Wenn Sie stattdessen die Schleife schließen, und β = 1 , dann verschiebt sich der Pol sehr nahe an die Einheitsverstärkungsfrequenz und die Phasenreserve nimmt ab.
@VladimirCravero Ich bin anderer Meinung, wenn sie die Einheit bei einem Phasenabstand von 90 Grad kreuzen (durch Platzierung des dominanten Pols), geben sie Bandbreite auf. Typischerweise würden sie die Einheit bei einem etwas niedrigeren, aber immer noch akzeptablen Phasenabstand wie 60 Grad kreuzen. Dann ist bei einem Rückkopplungsfaktor von Eins die Phasenreserve des Systems die Phasenreserve der Open-Loop-Charakteristik des Operationsverstärkers, und die Bandbreite (Closed-Loop-Pol) bewegt sich nach außen zur Open-Loop-Frequenzweiche.
@JohnD Ich kann nicht glauben, dass wir darüber diskutieren, ich denke, wir sagen dasselbe auf zwei verschiedene Arten. Wie kann ein Pol, der 4 oder 5 Jahrzehnte vor der Einheitsverstärkungsfrequenz liegt, seine Phase beeinflussen? Es wäre so etwas wie Arctan (10 ^ 4), das ist so etwas wie 99,99% von 90 ° ... Vielleicht implizieren Sie, dass es nach der Einheitsverstärkungsfrequenz andere Pole gibt?
@VladimirCravero Ja, das hast du - Aufgrund der Ft aller Transistoren, aus denen der Operationsverstärker besteht, gibt es Tonnen von Polen bei hoher Frequenz. Diese verursachen eine große Phasenverschiebung bei höheren Frequenzen, und die Designer von Operationsverstärkern platzieren den dominanten Pol an einer solchen Stelle, um die Bandbreite zu maximieren, sodass die Hochfrequenzpole nur eine moderate Phasenverzögerung beitragen. Der resultierende Phasenabstand beträgt also nicht 90 Grad, sondern etwas weniger.
@JohnD jetzt kann ich nicht widersprechen ... Endlich: D
Die Phasenreserve wird von der Schleifenverstärkung gemessen, nicht von der Open-Loop-Verstärkung. es muss das Rückkopplungsnetzwerk beinhalten
@endolith hängt davon ab, was Sie unter Open-Loop-Verstärkung verstehen. Wenn Sie die Open-Loop-Verstärkung so definieren, dass sie den "Rückkopplungsfaktor" enthält, ist die Definition der Phasenreserve in Ordnung. Wenn Sie nur die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers berücksichtigen, ist der Phasenspielraum aus der Betrachtung der Verstärkung / Phase nur bei Einheitsverstärkung gültig. (Rückkopplungsfaktor=1)
Nun "Open-Loop-Verstärkung" = EIN wird ohne Rückkopplungsfaktor definiert, während "Schleifenverstärkung" = − EIN ⋅ β beinhaltet es. cc.ee.ntu.edu.tw/~lhlu/eecourses/Electronics2/… Ja, wenn β = 1 Sie sind gleich.
Ich denke, Sie sind technisch richtig für einen Operationsverstärker, obwohl ich bei allgemeinen Feedback-Steuerungssystemen den Begriff "Open-Loop-Verstärkung" für das gesamte System einschließlich Feedback höre (und verwende), und die Bode-Plots für die Stabilitätsanalyse normalerweise den Titel " Open-Loop-Verstärkung und -Phase". Ein Operationsverstärker hat im Datenblatt eine genauer definierte "Open-Loop-Verstärkung", daher ist der Begriff "Loop-Verstärkung" für diesen Fall möglicherweise besser geeignet. Vielen Dank!

Phase Margin ist der Betrag des Phasenverschiebungsspielraums bei Einheitsverstärkung, der Instabilität oder Oszillation verursachen könnte.

90 Grad ist theoretisch ideal, 0 ist NG, 45 Grad haben ein gewisses Überschwingen, 60 Grad ist eine praktische Lösung. Die Phasenspanne zeigt den Kompromiss zwischen Anstiegszeit und Überschwingen.

Operationsverstärker werden mit Rückkopplung verwendet, wodurch sie oszillieren können, was schlecht ist, es sei denn, Sie entwerfen einen Oszillator!

Die Phasenspanne gibt im Wesentlichen an, wie stabil der Operationsverstärker ist, dh der Phasenwinkelabstand vom Schwingungspunkt in der Worst-Case-Konfiguration der Einheitsverstärkung.

Das Hinzufügen von Streu-Eingangs- und Ausgangskapazitäten, aber insbesondere von Lastkapazitäten, kann eine Phasenverschiebung verursachen, die den Stabilitätsspielraum verringert.

Typischerweise wird dem Ausgang ein kleiner Widerstand hinzugefügt, um eine "große" kapazitive Last zu kompensieren, aber dies verringert natürlich die effektive Verstärkung. Die Eingangskapazität ist normalerweise weniger problematisch, kann aber ebenfalls kompensiert werden.

Viele Operationsverstärker sind intern für typische Nutzungsbedingungen kompensiert, aber nicht alle.

Was bedeutet der Parameter "Phase Margin" eines Operationsverstärkers?
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