Zweistufiges Operationsverstärker-Design mit Kompensationsideen
Leonhard Euler
Ich versuche, einen Operationsverstärker mit Hochpass-Feedback zu entwerfen. Das Diagramm ist unten dargestellt. Das Hochpass-Feedback hat eine Eckfrequenz bei 1Hz.
Der Operationsverstärker selbst ist zweistufig, wie unten zu sehen ist.
Basierend auf den Büchern, die ich gelesen habe, und der Anzahl der Designs, die ich online gefunden habe, wird im Allgemeinen so vorgegangen, dass der Kompensationskondensator von Anfang an berücksichtigt wird. Bei all diesen Designs gehen wir davon aus, dass wir einen Phasenabstand von > 62 Grad haben wollen, und ermitteln einen Wert für den Kompensationskondensator. Meine Frage ist, wie würde sich ein Hochpassfilter im negativen Rückkopplungspfad auf die Wahl der erforderlichen Kompensationskapazität auswirken? Bei allen Entwürfen, die ich gesehen habe, wurde die Kompensationskapazität mit 0,22 * CL angenommen (0,22, um die Phasenreserveanforderungen zu erfüllen). Sollte die Hinzufügung eines Hochpassfilters diese Berechnung beeinflussen und wenn ja, wie?
Hier ist die andere Frage: Ich habe nur etwa 55𝜇A zum Spielen, basierend auf dem Strombedarf. Um das erforderliche GBW zu erreichen, brauche ich ungefähr 17𝜇A in dem Zweig, der M1 und M3 enthält. Ich würde diesen Strom natürlich nur auf den Zweig spiegeln, der M2 und M4 enthält. Allerdings würde der Strom in diesem Zweig 34𝜇A betragen, sodass nur etwa 20𝜇A für den zweiten Zweig übrig bleiben, was zu wenig ist. Der zweite Zweig sollte den höchsten Strom verbrauchen. Die einzige Möglichkeit, den Strom im mittleren Zweig zu reduzieren, besteht darin, nur einen Bruchteil von 17𝜇A in den Zweig zu spiegeln, der M2 und M4 enthält. Dies macht die Sache sehr schwierig, da dies bedeuten würde, dass M1 und M2 (und auch M3 und M4) nicht mehr die gleichen Größen haben. Basierend auf der Anzahl der Designs, die ich gesehen habe, sind M1 und M2 (und auch M3 und M4) immer gleich groß. Das scheint anzudeuten, dass etwas nicht stimmt. Ich hätte nichts dagegen, wenn möglich, Unterstützung zu bekommen.
Antworten (1)
Benutzer173271
Der Kondensator über dem Rückkopplungswiderstand fügt eine Null in der Schleife hinzu. Das heißt, es erhöht die Schleifenverstärkung, fügt aber auch Phase hinzu und verbessert die Stabilität. Dieser Kondensator fügt auch einen Pol bei einer höheren Frequenz hinzu, was das Potenzial hat, die Stabilitätsverbesserung der Null aufzuheben. Daher muss der Kondensatorwert sorgfältig gewählt werden, damit die Schleifenverstärkung auf Eins sinkt, bevor dieser Hochfrequenzpol erreicht wird.
Der Wert des Kompensationskondensators würde so gewählt werden, dass er die gewünschte Phasenreserve ergibt, normalerweise für eine geschlossene Schleifenverstärkung von Eins, aber möglicherweise für eine höhere geschlossene Schleifenverstärkung für einen dekompensierten Operationsverstärker, unabhängig davon, wie die externe Schaltung konfiguriert ist. Der Konstrukteur hat dann die Möglichkeit, einen Kondensator über den Rückkopplungswiderstand zu integrieren, um die Stabilität bei Bedarf weiter zu verbessern. Dieser Kondensator ist manchmal für den doppelten Zweck enthalten, Hochfrequenzrauschen zu reduzieren.
BEARBEITEN
Sie können den Strom sowohl in der Eingangs- als auch in der Ausgangsstufe gemeinsam variieren, indem Sie Ibias variieren. Um den Strom nur in der Eingangsstufe zu variieren, fügen Sie einen Widerstand zwischen der Quelle von M5 und Vdd ein und variieren Sie ihn.
Der Strom auf beiden Seiten der Eingangsstufe sollte ausgeglichen (gleich) gehalten werden oder es kommt zu Verzerrungen.
Auf einer einfachen Denkebene wird die Anstiegsgeschwindigkeit durch den Strom in der Eingangsstufe oder den Strom in der Ausgangsstufe eingestellt, je nachdem, welcher Wert kleiner ist. Dies liegt daran, dass diese Ströme den Kompensationskondensator aufladen.
Wenn beispielsweise insgesamt 20 uA in der Eingangsstufe und 35 uA in der Ausgangsstufe vorhanden sind, ist die Anstiegsgeschwindigkeit gleich (unter der Annahme eines Ccomp von 100 pF): -
SR = dv/dt = i/C = 20 uA/100 pF = 0,2 V/us
BEARBEITEN
Die Open-Loop-Verstärkung wird durch die Transkonduktanz Gm der Eingangsstufe und die Impedanz des Kompensationskondensators bei jeder bestimmten Frequenz bestimmt.
OL-Verstärkung = Gm.Xc
Gm nimmt zwar ab, wenn der Schweifstrom des Differenzverstärkers der Eingangsstufe abnimmt, aber dies sollte GBW nicht verringern, da Sie mit abnehmendem Gm (aufgrund des verringerten Schweifstroms) die Größe des Kompensationskondensators verringern würden (wodurch die OL-Verstärkung wieder erhöht wird) um dies zu erreichen der gewünschte Phasenspielraum irgendwo zwischen 45° und 65°.
BEARBEITEN
Dieses Operationsverstärker-Design könnte eine Ausgangsstufe vertragen:
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