Die übliche Situation für die meisten Operationsverstärker ist, dass Sie die Kapazität bis zu einem kleinen Wert von (sagen wir) 100 pF am Ausgang "aufhängen" können. Wenn Sie diese Kapazität erhöhen, verhält sich der Operationsverstärker schlecht und verwandelt sich in ein Oszillator. Für dieses Gerät (wie bei den meisten Operationsverstärkern) wird im Datenblatt eine Kapazität von etwa 150 pF angegeben. Abbildung 41 zeigt, dass bei angeschlossenem 150 pF der Ausgang schwingt. Wenn 130 pF angeschlossen sind, gibt es ein Überschwingen und ein gedämpftes Klingeln, sodass Sie in Wirklichkeit nicht mehr als 100 pF erreichen sollten. Ich würde es nicht als Faustregel bezeichnen, da einige Operationsverstärker mit 22 pF "singen". Lesen Sie wie immer das Datenblatt.

\ $ \ color {blue} {\ text {Aber was ist, wenn Sie mehrere uF auf die Ausgabe geklebt haben?}} \ $ span>

Es besteht die Möglichkeit, dass es auch nicht schwingt (obwohl das Datenblatt dies nicht explizit anzugeben scheint). Wie kann dies möglich sein, könnte man fragen, oder wie würde ich wissen, dass es nicht schwingt, könnte eine andere Frage sein. Die Antwort finden Sie in den meisten Datenblättern, aber Sie müssen die Dinge gründlich untersuchen und analysieren.

Nehmen Sie zum Beispiel Abbildung 10: -

Was könnte uns das sagen, könnten Sie fragen. Es sagt mir, dass der Innenwiderstand der Transistor-Ausgangsstufe unter Last etwa 125 Ohm beträgt. Mit \ $ V_ {DD} \ $ span> bei 5 Volt sollten Sie sehen können, dass die Steigung der Leitung ungefähr 1 Volt pro 8 mA beträgt (gemäß my rote Zusätze). Das ist ein Ausgangswiderstand von 125 Ohm. Später \ $ ^ 1 \ $ span> werde ich das Szenario mit geringer Last (blaue Kritzeleien) erwähnen.

Als nächstes folgt die Verstärkungskennlinie im offenen Regelkreis in Abbildung 33: -

Ich habe mir erlaubt, beim Gewinn der Einheit eine rote Linie zu ziehen. Können Sie bei einer Verstärkung von 1 MHz (ungefähr 3 MHz) sehen, dass die Phasenverschiebungslinie ungefähr 150 Grad entspricht? Dies bedeutet, dass es 30 Grad davon entfernt ist, ein Oszillator zu werden, d. H. 30 Grad davon entfernt, dass eine regelmäßige invertierende Rückkopplung zu einer nicht invertierenden (oder positiven) Rückkopplung wird. Diese 30 Grad werden als "Phasenreserve" bezeichnet, und Sie möchten, dass diese so groß wie möglich ist, um ein Überschwingen zu verringern und (Gott bewahre) zu vermeiden, dass die Schaltung in einen Oszillator verwandelt wird.

Um dies klarer zu sehen, habe ich Simulationsergebnisse hinzugefügt. Hier ist der erste: -

Durch Hinzufügen von 100 pF wird der Phasenrand niedriger, d. h. der 30-Grad-Rand wird kleiner. Wie viel weniger wird es, könnte man fragen. Die Antwort beginnt in Abbildung 10, wo ich den Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers geschätzt und 125 Ohm erhalten habe.

Dieser Widerstand plus 100 pF bildet ein Tiefpassfilter mit einem Grenzwert von 12,7 MHz. Bei dieser Frequenz beträgt die hinzugefügte Phasenverschiebung 45 Grad. Wichtig ist jedoch, dass bei 3 MHz die Phasenverschiebung nur etwa 12 Grad beträgt. Mit 100 pF am Ausgang hat sich daher unser Phasenabstand von 30 Grad auf 18 Grad verringert. Ich habe dieses Tool verwendet, um diese Phasenverschiebung zu visualisieren. Ich könnte es berechnen, aber warum sollte ich mich darum kümmern, wenn Herr Okawa so nette Werkzeuge zur Verfügung stellt.

Wieder habe ich ein Simulationsergebnis hinzugefügt: -

Wenn die Kapazität 150 pF betrug, hat sich der Grenzwert auf 8,4 MHz verringert, aber von Bedeutung ist, dass bei 3 MHz die Phasenverschiebung 20 Grad beträgt und der Phasenabstand auf nur 10 Grad verringert ist. Dies deutet darauf hin, dass das Gerät nicht schwingt, aber ich verwende nur typische Werte und nicht den schlimmsten Fall.

\ $ \ color {blue} {\ text {Aber was ist, wenn Sie mehrere uF auf die Ausgabe geklebt haben?}} \ $ span>

Ich habe dies noch nicht beantwortet, aber jetzt geht es los.

Mit 10 nF am Ausgang ergibt sich eine Grenzfrequenz von 127 kHz bei einem internen äquivalenten Ausgangswiderstand von 125 Ohm. Wenn Sie sich das Diagramm der Verstärkung im offenen Regelkreis ansehen, werden Sie feststellen, dass der Phasenabstand etwa 80 Grad beträgt. Auf den ersten Blick können Sie möglicherweise 10 nF verwenden, bei 1 MHz beträgt der Phasenabstand jedoch 70 Grad UND die 10 nF und 125 Ohm erzeugen eine zusätzliche Phasenverschiebung von ungefähr 82 Grad, daher würde der Operationsverstärker irgendwo etwas unter 1 MHz sein Herz in einer anhaltenden Schwingung heraussingen.

Ich habe ein weiteres Simulationsergebnis hinzugefügt, um dies zu zeigen (es schwingt um 500 kHz): -

Also, hier ist der Kern dessen, worauf ich hingearbeitet habe: -

Wenn die Frequenz niedrig ist, ist der natürliche Phasenabstand des Operationsverstärkers immer gut. Beispielsweise beträgt bei 300 Hz der Phasenabstand 120 Grad, und das Hinzufügen von 1 uF zum Ausgang verringert den Spielraum auf etwa 105 Grad. Wenn wir die Frequenz auf 10 kHz erhöhen, beträgt der natürliche Phasenabstand des Operationsverstärkers etwa 92 Grad, und der Ausgangskondensator reduziert diesen auf etwa 10 Grad.

Die Gesamtverstärkung ist jedoch aufgrund des Ausgangskondensators gesunken. Bei 10 kHz beträgt die Verstärkung im offenen Regelkreis etwa 300 (50 dB), aber der durch den Kondensator verursachte zusätzliche Verstärkungsverlust beträgt etwa 20 dB. Ich denke immer noch, dass es wahrscheinlich ist, dass 1 uF eine Schwingung aushält, aber was ist mit 10 uF?

10 uF führt zu einem zusätzlichen Verstärkungsverlust von 50 dB bei 10 kHz und der Phasenabstand würde etwa 2 Grad betragen (dies setzt eine insgesamt hinzugefügte Phasenverschiebung von 90 Grad gegenüber dem Kondensator und dem Ausgangswiderstand voraus und kann keine sein mehr als das). Ich denke, das könnte immer noch schwingen. Es ist grenzwertig.

10 uF Simulation hinzugefügt, die zeigt, dass es sehr grenzwertig ist: -

Wenn 100 uF hinzugefügt werden, ist der Operationsverstärker frei von Problemen, da die Dämpfung des Ausgangskondensators und des Widerstands 60 dB (bei 10 kHz) beträgt und die Oszillation nicht aufrechterhalten werden kann.Mit anderen Worten, der natürliche Phasenabstand des Operationsverstärkers könnte niemals ein Wert sein, bei dem das Hinzufügen weiterer 90 Grad zu einer Nettoverstärkung von mehr als 1 führen würde

Zum Abschluss der 100-uF-Simulation: -

Blue Scribble \ $ ^ 1 \ $ span> - Bei sehr geringer Belastung kann der Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers als 500 Ohm angesehen werden. Dies hat den gleichen Effektals die Kapazität 4 mal größer machen.Dies hat zur Folge (wenn Sie beispielsweise den Ausgangspin mit 10 uF überflutet haben), dass der Ausgang sehr wahrscheinlich stabil ist. Wenn Sie jedoch mehr Ausgangsstrom ziehen, sinkt der dynamische Widerstand in Richtung 125 Ohm und die Schaltung kann plötzlich instabil werden.Viele Pro EEs werden diesen ähnlichen Effekt von Zeit zu Zeit bemerkt haben.

Wenn der Operationsverstärker dafür nicht geeignet ist, kann das Ansteuern einer großen kapazitiven Last tatsächlich zu Instabilitätsproblemen führen, wenn kein Kompensationsnetzwerk implementiert ist.Das Problem tritt auf, wenn die kapazitive Last hoch genug ist, um eine erhebliche Verzögerung (Phase) zwischen dem Ausgang (Rückkopplung) und dem Eingangssignal bis zu dem Punkt zu verursachen, an dem die Regulierung sehr schwierig ist.

Zumindest beim Start sorgt der zwischen der positiven Schiene und dem Ausgangs- / Rückkopplungspfad angeschlossene Kondensator für eine vorübergehende "Phasenverstärkung", indem der Ausgangskondensator direkt mit der Versorgungsschiene vorgeladen wird.Das heißt, dass mit dem richtigen kapazitiven Verhältnis \ $ (\ frac {C_ {22}} {C_ {22} + C_ {24}}) \ $ span> der Ausgangskondensatorkönnte theoretisch mit der stabilisierten Spannung ( \ $ 1.5V \ $ span>) vorgeladen werden, die Sie für den nicht invertierenden Eingang erwarten.

Die Schaltung gibt eine bestimmte Teilenummer des Tantal-Elektrolytkondensators am Ausgang an, der bei einigen Frequenzen als Dämpfungsnetzwerk (0,25-Ohm-ESR-Serie mit 47 uF) fungiert, aber ich wäre immer noch misstrauisch, dass dies unter bestimmten Bedingungen nur mit schwingen könnteEine kleine Amplitude ist sichtbar, was zu einem übermäßigen Stromverbrauch und anderen subtilen Effekten führt.

Dies sieht eher nach etwas aus, an dem herumgebastelt wurde, bis es irgendwie funktioniert hat, als nach einer sorgfältig entworfenen robusten Schaltung.

Andy gab bereits eine ausgezeichnete Antwort, daher werde ich nicht mehr zum "Oszillations" -Bit sagen.

Ich möchte jedoch nur hinzufügen, dass es ein Fehler ist, C22 zu haben:

Bei hohen Frequenzen ist die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers viel höher als die Impedanz der Kappen, so dass die Ausgangsimpedanz dieser Schaltung von den Kappen dominiert wird.Dies bedeutet, dass mit C22 hochfrequentes Rauschen in der VCCA-Stromversorgung direkt in den Ausgang gelangen kann.

Dies wird durch C23 / C24 gemildert, die als Unterschenkel eines kapazitiven Teilers mit C22 fungieren, sodass das Rauschen auf VCCA entsprechend gedämpft wird.Trotzdem ist es besser, C22 überhaupt nicht zu verwenden.

Auch C22, C34, C24 dienen als Entkopplungskappe für die VCCA-Schiene.Dies bedeutet, dass ein nahe gelegener Chip (wie ein ADC), der gepulsten Strom von VCCA bezieht, einen Teil seines Versorgungsstroms von diesen Kondensatoren bezieht, was eine weitere Möglichkeit ist, Rauschen im Ausgang hinzuzufügen.

Andy-aka hat eine gute quantitative Analyse durchgeführt, aber ich wollte einen qualitativeren Ansatz verfolgen.

Im Allgemeinen führt der Versuch, eine negative Rückkopplung auf einen mehrstufigen Verstärker anzuwenden, bei dem alle Stufen einen ähnlichen Frequenzgang haben, zu einer Schwingung.

Der Grund dafür ist die Phasenantwort, in erster Näherung vor der Grenzfrequenz erzeugt eine Stufe keine Phasenverschiebung und nach der Grenzfrequenz eine Phasenverschiebung von 90 Grad. Wenn alle Stufen einen ähnlichen Frequenzgang haben, stößt das System kurz nach der gemeinsamen Grenzfrequenz auf eine große Phasenverschiebung. Diese große Phasenverschiebung ermöglicht es dem Verstärker zu oszillieren.

Die Lösung hierfür besteht darin, dass eine Stufe eine viel geringere Bandbreite als die anderen hat. Im Allgemeinen verfügt eine der internen Stufen in einem Operationsverstärker über einen Kompensationskondensator, um die Bandbreite absichtlich zu reduzieren. Manchmal wird der Kompensationskondensator extern angebracht, damit sein Wert auf die Anforderungen der Schaltung zugeschnitten werden kann.

Durch die Kapazität am Ausgang wird die Bandbreite der Ausgangsstufe verringert, wodurch die Bandbreite näher an der absichtlich bandbreitenbegrenzten Stufe liegt, was zu einer Schwingung führen kann

Wenn Sie jedoch die Kapazität weiter erhöhen und damit die Bandbreite der Ausgangsstufe verringern, gehen die Dinge über. Die Ausgangsstufe dominiert schließlich den Frequenzgang und die zweite (ursprünglich erste) Unterbrechungsfrequenz wird erst erreicht, nachdem die Schleifenverstärkung unter eins gefallen ist