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  Opv-frequenzstabilität

                                              OPV-Frequenzstabilität                                                    Inhaltsverzeichnis          1.Grundlagen: Gegengekoppelte Operationsvertärker   *)Nichtinvertierer *)Invertierer   2.Frequenzgänge: Open-Loop-Verstärkung und Verstärkung bei Gegenkopplung   *)Open-Loop *)Gegengekoppelt   3.Stabilitätsbetrachtung im Bode-Diagramm   4.Möglichkeiten der Frequenzkompensation:   I) durch einfachen Tiefpaß II) Lag-Kompensation III) Lead-Kompensation IV) Passive Feed-Forward-Kompensation V) Active Feed-Forward-Kompensation         1.Grundlagen: Gegengekoppelte Operationsverstärker   *) Nichtinvertierer  Blockschaltung:                     *) Invertierer      Blockschaltung:                     2.

Frequenzgänge: Open-Loop-Verstärkungund Verstärkung bei Gegenkopplung   Abkürzungen: k...Rückkopplungsfaktor V...

Verstärkung des OPVs V’..Gesamtverstärkung der Schaltung V0..Gleichgrößenverstärkung (w<<wg)   *) Open-Loop                                             V0 V=------- 1+jw/wg *) Gegengekoppelt         V0 ---------- V 1+jw/wg V0 1 1 V’= ---- = ----------- = ----------- = --- ----------- 1+kV V0 1+jw/wg+kV0 k 1+jw/wg 1+k------- 1+ ------- 1+jw/wg kV0                  Die Gleichung für V’ gilt allgemein, das heißt auch für komplexe k:   Z1 k = ---- Z1+Z2            Ist kV0 reell und viel größer als 1, gilt: V0 V’= --------- kV0+jw/wg           Das zugehörige Bode-Diagramm sieht so aus:                                           Die Grenzfrequenz der Schaltung liegt bei Re{V’}=Im{V’}:  kV0=wg/w=V0/V0’ ---> V0wg=V0’wg’..

...Verstärkungsbandbreiteprodukt       3.Stabilitätsbetrachtung im Bodediagramm  Für die Stabilität einer Schaltung ist es wichtig, daß die Schwingbe- dingungen über den gesamten Frequenzbereich unerfüllt bleiben. Es muß dafür gesorgt werden, daß in Bereichen der Verstärkung > 1 die Phasenbedingung verletzt wird, und daß bei Erfüllung der Phasenbedin- gung die Verstärkung unter 1 gesunken ist.

Da die Gegenkopplung von OPVs auf den invertierenden Eingang erfolgt, wird daraus bei einer 180°-igen Phasendrehung eine Mitkopplung. Für die Stabilitätsbetrachtung im Bodediagramm ist also der Betrag der Verstärkung bei j=180° interessant, er muß auf jeden Fall bereits un- ter den Wert 1 gefallen sein (logarithmischer Maßstab -> Schnittpunkt mit der x-Achse).                                                  Folgender mehrstufige Verstärker wäre beispielsweise instabil:                      Allerdings verläuft der Übergang zur Instabilität nicht sprunghaft, sondern verlaufend. Ausschlaggebend für das Verhalten einer Schaltung ist die sogenannte “Phasensicherheit” oder “Phasenreserve”, die im Bode-Diagramm des gegengekoppelten Verstärkers (siehe 2 Bilder vor- her) erkennbar ist. Schaltungen mit kleinen Phasenreserven zeigen sehr starkes Überschwingen in ihrer Sprungantwort:                               Entsprechend der Anwendung muß ein geeigneter Kompromiß bezüglich Verstärkung und Sprungverhalten getroffen werden. Die Praxis zeigt, daß Phasenreserven ab ca.


75° sinnvoll sind.         Beispiel für Instabilität: Differenzierer                       Wie ersichtlich, bringt die Phasendrehung des Kondensators in diesem Fall zusätzliche 90° Phasendrehung ein, was zur Erfüllung der Phasen- bedingung bei Verstärkung >1 führt. Abhilfe schafft hier ein Serienwiderstand zum Kondensator.   4.Möglichkeiten der Frequenzkompensation   I.durch einfachen RC-Tiefpaß    Dieses Bode-Diagramm zeigt, daß mit Hilfe des Tiefpas- ses der Verlauf der Gesamt- verstärkung einen zusätzli- chen Knick erhält, was die Schaltung stabil macht.

Oh- ne diese Maßnahme würde In- stabilität herrschen, wie der Verlauf von V zeigt.       II.Lag-KompensationBei der Lag-Kompensation er- weitert man den Tiefpaß um einen Widerstand, wodurch ei- ne zweite Grenzfrequenz er- zeugt wird. Die Wirkung dieser Maßnahme äußert sich insofern, als daß der erste Knick der V-Kurve früher einsetzt. Durch geeig- nete Wahl von wg2 fällt diese zweite Grenzfrequenz genau dorthin, wo der nicht-kompen- sierte OPV ursprünglich sei- nen ersten Knick hatte. Somit erscheint der gesamte Frequenzgang um wg2-wg1 nach links verschoben.

                   [lag(engl.)...”zurückbleiben”,”nacheilen”]     III.Lead-Kompensation        [lead(engl.

)...”führen”,”voreilen”]  Hier geschieht entspre- chend ähnliches, wie bei der lag-Kompensation, al- lerdings wird hier nicht R2, sondern R1 ein RC-Glied ersetzt, und zwar in Parallelschaltung. Die entscheidende Grenz- frequenz wird aber höher gewählt, sodaß, wie er- sichtlich, der Kurvenzug bis zu diesem zusätzli- chen Knick nach unten verschoben wird.       IV.

Passive Feed-Forward-Kompensation  Diese Variante wird nur mit speziellen OPVs vorgenommen, wie zum Bei- spiel mit dem TL 080. In der Schaltung stellt V01 eine spannungsgesteuerte Stromquelle und V02 eine stromgesteuerte Spannungsquelle dar. (C dient zur f-Komp.)                                V.Active Feed-Forward-Kompensation                                   

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