オペアンプまたはオペアンプは、アナログ電子設計の主力製品と見なされています。アナログコンピュータの時代から、オペアンプはアナログ電圧を使用した数学演算に使用されてきたため、オペアンプと呼ばれています。日付までオペアンプは、電圧の比較、微分、積分、合計、およびその他の多くの目的で広く使用されています。言うまでもなく、オペアンプ回路はさまざまな目的で非常に簡単に実装できますが、複雑になることが多い制限はほとんどありません。
主な課題は、広い帯域幅のアプリケーションでオペアンプの安定性を向上させることです。解決策は、オペアンプの両端に周波数補償回路を使用して、周波数応答の観点からアンプを補償することです。アンプの安定性は、さまざまなパラメータに大きく依存します。この記事では、周波数補償の重要性と、それを設計で使用する方法を理解しましょう。
オペアンプのクイックベーシック
オペアンプの高度なアプリケーションと、周波数補償技術を使用してアンプを安定させる方法に直接入る前に、オペアンプに関するいくつかの基本的なことを探りましょう。
増幅器は、開ループ構成または閉ループ構成として構成できます。開ループ構成、全くフィードバック回路が存在しないが、それに関連付けられています。ただし、閉ループ構成では、アンプが正しく機能するためにフィードバックが必要です。運用には、負のフィードバックまたは正のフィードバックがあります。オペアンプの正端子間のフィードバックネットワークアナログの場合、それは正フィードバックと呼ばれます。それ以外の場合、負帰還増幅器の負帰還回路にはフィードバック回路が接続されています。
オペアンプで周波数補償が必要なのはなぜですか？
以下のアンプ回路を見てみましょう。これは、単純な負帰還の非反転オペアンプ回路です。回路はユニティゲインフォロワ構成として接続されています。
上記の回路は、電子機器では非常に一般的です。ご存知のとおり、アンプは入力両端の入力インピーダンスが非常に高く、出力両端に適度な量の電流を供給することができます。したがって、オペアンプは低信号を使用して駆動し、より高い電流の負荷を駆動することができます。
しかし、負荷を安全に駆動するためにオペアンプが供給できる最大電流はどれくらいですか？上記の回路は純粋な抵抗性負荷（理想的な抵抗性負荷）を駆動するのに十分ですが、出力に容量性負荷を接続すると、オペアンプは不安定になり、最悪の場合、オペアンプは負荷容量の値に基づいて振動し始めます。
容量性負荷が出力に接続されているときにオペアンプが不安定になる理由を調べてみましょう。上記の回路は簡単な式として説明できます-
A cl = A / 1 +Aß
CLはある閉ループ利得。Aはアンプの開ループゲインです。ザ・
上の画像は、式と負帰還増幅器回路を表したものです。これは、前述の従来の負の増幅器とまったく同じです。これらは両方とも正端子でAC入力を共有し、両方とも負端子で同じフィードバックを持っています。円は加算ジャンクションに2つの入力があり、1つは入力信号から、もう1つはフィードバック回路からです。さて、アンプが負帰還モードで動作しているとき、アンプの完全な出力電圧はフィードバックラインを通って加算接合点に流れています。加算接合部では、フィードバック電圧と入力電圧が加算され、アンプの入力にフィードバックされます。
画像は2つのゲインステージに分割されます。まず、これは閉ループネットワークであるため完全な閉ループ回路を示しています。また、Aを示すオペアンプはスタンドアロンの開回路であり、フィードバックは直接接続されていないため、オペアンプの開ループ回路も示しています。
加算接合の出力は、オペアンプの開ループゲインによってさらに増幅されます。したがって、この完全なものが数学的構成として表される場合、加算ジャンクション全体の出力は-です。
Vin-Voutß
これは、不安定性の問題を克服するのに最適です。RCネットワークは、他の高周波極効果を支配または相殺する1または0dBゲインで極を作成します。主極構成の伝達関数は–
ここで、A（s）は補償されていない伝達関数、Aは開ループゲイン、ώ1、ώ2、およびώ3は、それぞれ-20dB、-40dB、-60dBでゲインがロールオフする周波数です。以下のボード線図は、オペアンプの出力全体に主極補償技術を追加した場合に何が起こるかを示しています。ここで、fdは主極周波数です。
2.ミラー補償
もう1つの効果的な補償手法は、ミラー補償手法です。これは、負荷絶縁抵抗（ヌル抵抗）の有無にかかわらず、単純なコンデンサを使用するインループ補償手法です。これは、オペアンプの周波数応答を補償するために、フィードバックループにコンデンサが接続されていることを意味します。
ミラー補償回路は、以下に示されています。この手法では、コンデンサが出力の両端に抵抗でフィードバックに接続されます。
この回路は、R1とR2に依存する反転ゲインを持つ単純な負帰還増幅器です。R3はヌル抵抗であり、CLはオペアンプ出力の両端の容量性負荷です。CFは、補償目的で使用されるフィードバックコンデンサです。コンデンサと抵抗の値は、アンプ段のタイプ、極補償、および容量性負荷によって異なります。
内部周波数補償技術
最新のオペアンプには内部補償技術があります。内部補償技術では、小さなフィードバックコンデンサがオペアンプICの内部の2段目のエミッタ接地トランジスタの間に接続されます。たとえば、以下の画像は、一般的なオペアンプLM358の内部図です。
CcコンデンサはQ5とQ10の間に接続されています。補償コンデンサ（Cc）です。この補償コンデンサは、アンプの安定性を向上させるだけでなく、出力全体の発振とリンギングの影響を防ぎます。
オペアンプの周波数補償–実用的なシミュレーション
周波数補償をより実際的に理解するために、以下の回路を考慮してそれをシミュレートしてみましょう–
この回路は、LM393を使用した単純な負帰還増幅器です。このオペアンプには補償コンデンサが内蔵されていません。100pFの容量性負荷を使用してPspiceで回路をシミュレートし、低周波数および高周波数の動作でどのように動作するかを確認します。
これを確認するには、回路の開ループゲインと位相マージンを分析する必要があります。ただし、上記のように正確な回路をシミュレートすると、閉ループゲインが表されるため、pspiceにとっては少し注意が必要です。したがって、特別な考慮が必要です。pspiceでの開ループゲインシミュレーション（ゲイン対位相）のために上記の回路を変換する手順を以下に示します。
- 入力はフィードバック応答を得るために接地されています。出力への閉ループ入力は無視されます。
- 反転入力は2つの部分に分かれています。1つは分圧器で、もう1つはオペアンプの負端子です。
- 2つのパーツの名前が変更され、シミュレーションフェーズで2つの別個のノードと識別目的が作成されます。分圧器セクションの名前がフィードバックに変更され、マイナス端子の名前がInv-inputに変更されます。（入力の反転）。
- これらの2つの壊れたノードは、0VDC電圧源に接続されています。これは、DC電圧の観点から、両方のノードが同じ電圧を持っているためです。これは、回路が現在の動作点の要件を満たすために不可欠です。
- 1VのAC刺激で電圧源を追加します。これにより、AC解析中に2つの個別ノードの電圧差が1になります。この場合、フィードバックと反転入力の比率が回路の開ループゲインに依存することが重要です。
上記の手順を実行すると、回路は次のようになります-
回路は15V +/-電源レールを使用して給電されます。回路をシミュレートして、その出力ボード線図を確認しましょう。
回路には周波数補償がないため、予想どおり、シミュレーションでは低周波数で高ゲイン、高周波数で低ゲインが示されています。また、位相マージンが非常に悪いことを示しています。0dBゲインでの位相を見てみましょう。
0dBゲインまたはユニティゲインクロスオーバーでもわかるように、オペアンプはわずか100pFの容量性負荷で6度の位相シフトを提供します。
次に、周波数補償抵抗とコンデンサを追加して回路を即興で作成し、オペアンプ全体にミラー補償を作成して結果を分析します。50オームのヌル抵抗がオペアンプと100pFの補償コンデンサを備えた出力の間に配置されています。
シミュレーションが完了し、曲線は次のようになります。
位相曲線がはるかに良くなりました。0dBゲインでの位相シフトはほぼ45.5度です。周波数補償技術を使用すると、アンプの安定性が大幅に向上します。したがって、op-mapの安定性を高めるために、周波数補償技術が強く推奨されることが証明されています。ただし、帯域幅は減少します。
これで、オペアンプの周波数補償の重要性と、不安定性の問題を回避するためにオペアンプの設計でそれを使用する方法を理解しました。チュートリアルを楽しんで、何か役立つことを学んだことを願っています。ご不明な点がございましたら、フォーラムまたは以下のコメントセクションにご記入ください。