Verbeterde frekwentiekompensatie voor operationele versterkers
Operationele versterkers dienen in schakelingen met tegenkoppeling te worden voorzien van een (externe) frekwentiekompensatie. Dit is noodzakelijk om de schakeling kwa stabiliteit in de hand te houden. In dit artikel wordt nader ingegaan op het hoe en waarom van deze frekwentiekompensatie; er zal tevens een alternatieve kompensatiemetode besproken worden, welke voordelen biedt als het gaat om het gedrag van de schakeling voor grote en snelle veranderingen in het ingangssignaal.
Waarom eigenlijk frekwentiekompensatie? Wel, door de alom tegenwoordige parasitaire kapaciteiten in het IC vertoont de frekwentiekarakteristiek zonder tegenkoppeling boven een bepaalde frekwentie een sterk dalend verloop. De frekwentiekarakteristiek van figuur 1 (getrokken lijn; zonder frekwentiekompensatie) is illustratief. Vanaf f1 daalt de karakteristiek met 6 dB/oktaaf; vanaf het volgende kantel-punt f2 is de daling 12 dB/oktaaf en vanaf een eventueel derde kantelpunt f3 zelfs 18 dB/oktaaf. Voor DC en frekwenties tot f1 is de open-loopversterking konstant en gelijk aan AOL.
Figuur 1. De getrokken lijn stelt de ongekompenseerde frekwentiekarakteristiek voor van de opamp. De gestippelde lijn betreft de gekompenseerde frekwentiekarakteristiek. In het snijpunt van de stippellijn met de horizontale puntlijn door ACL (gewenste versterking-met tegenkoppeling) is de helling van de gekompenseerde frekwentiekarakteristiek 6 dB/oktaaf. Het tegengekoppelde systeem is onvoorwaardelijk stabiel.
In figuur 1 is ook de gewenste versterking-met-tegenkoppeling ACL (in dB) aangegeven. Als de helling van de frekwentiekarakteristiek in het snijpunt met de horizontale lijn door het punt ACL gelijk aan of groter dan 12 dB/oktaaf is, is het tegengekoppeld systeem instabiel; met de aangegeven ACL treedt er geheid oscilleren op. Dit is niet meer het geval als de open-loopfrekwentiekarakteristiek het in figuur 1 gestippelde verloop heeft. De gestippelde karakteristiek ontstaat door het tussenschakelen van het kompensatienetwerk van figuur 2.
Figuur 2. Onder invloed van dit kompensatienetwerk leen zgn. stapnetwerk) gaat de getrokken karakteristiek van figuur 1 over in de eveneens in figuur 1 aangegeven gestippelde (gekompenseerde) karakteristiek.
In het snijpunt (in figuur 1) van de horizontale ACL-lijn met de gestippelde (gekompenseerde) karakteristiek is de helling 6 dB/oktaaf; voor de aangegeven ACL en voor hogere waarden van ACL is het tegengekoppelde systeem onvoorwaardelijk stabiel. Dit houdt in, dat de fasemarge 90° bedraagt.
NB. Er zijn veel opamps met een ingebouwde gekompenseerde frekwentiekarakteristiek, zoals de bekende 741 met al zijn broertjes en zusjes. Het gestippelde verloop van figuur 1 wordt dan 'automatisch' verkregen.
In de databoeken is voor ieder type opamp, dat voor externe kompensatie; in aanmerking komt, aangegeven hoe het kompensatienetwerk gedimensioneerd moet worden bij een gegeven ACL en in samenwerking met de gewenste amplitude- en fasemarge.
Tot zover in het kort het hoe en waarom van frekwentiekompensatie. De opamp in kwestie bestaat uit meerdere versterkertrappen. Doorgaans wordt de kompensatie aangebracht tussen de eerste (verschil-)trap en de tweede trap bf als Millerkapaciteit over de tweede trap.
Er kan aangetoond worden dat de ingangs-verschilspanning van de opamp voor hogere frekwenties toeneemt. Voor de opamp met de gestippelde (gekompenseerde) karakteristiek van figuur 1 neemt deze verschilspanning tussen f0 en f2 toe met 6 dB/oktaaf; boven f2 zelfs met 12 dB/oktaaf.
Nu bestaat het gevaar, dat met name de eerste trap, die zich immers voor het kompensatienetwerk bevindt, overstuurd raakt voor snelle en/of grote ingangssignalen. We zitten dan midden in de problemen, die in de opamptechniek bekend staan onder de naam 'slew rate limiting' en in audioversterkers kunnen leiden tot TIM-verschijnselen (zie Ekwin deel 1, Elektuur, december 1975).
Er bestaat een mogelijkheid om hier iets aan te doen. Daartoe wordt het kompensatienetwerk aan de ingang van de opamp geplaatst. In figuur 3a is e.e.a. uitgewerkt voor een niet-inverterende versterker, in figuur 3b voor een inverterende versterker. In figuur 3 zijn tevens de dimensioneringsregels aangegeven voor de diverse weerstanden en kondensatoren. In de regel verdient het aanbeveling om op de plaats(en) van de gebruikelijke kompensatie (een) kondensatortje(s) van 5 à 10 pF aan te brengen om parasitaire effekten te voorkomen.
Figuur 3. De wijze waarop het alternatieve kompensatienetwerk wordt aangebracht resp. gedimensioneerd. Figuur 3a geldt voor een niet-inverterende, figuur 3b voor een inverterende versterker.
Bij de kompensatie volgens figuur 3 neemt de ingangs-verschilspanning af met een helling van 6 dB/oktaaf voor frekwenties tussen f0 en f2 . Er treedt dus geen overbelasting op van de opamp voor grote en snelle signalen.
De kompensatiemetode van figuur 3 geeft aanleiding tot een slechtere signaal-ruisverhouding. De grootste ruisbijdrage van de opamp wordt namelijk door de ingangstrap geleverd. Bij konventionele kompensatie wordt een groot deel van deze ruis weggefilterd. Dat mist men in figuur 3. Daar komt nog bij, dat de ingangssignalen nu voor hogere frekwenties zwakker zijn dan 'vroeger' (6 dB/oktaaf 'af' i.p.v. 6 dB/oktaaf 'op').
Men dient echter te bedenken, dat de nieuwe kompensatiemetode, vooral bedoeld is voor groot-signaaltoepassingen, waar minder zwaar aan de ruis wordt getild. Verder mag verwacht worden, dat de ruisbijdrage van de ingangstrap voor hogere frekwenties lager wordt door de aanwezigheid van kondensatoren aan de ingangen van de opamp.