Analyse van het effect van feedback op de snelheid van de slew en de dynamische respons

Dynamische respons: Bandbreedte, tijdelijk gedrag en stabiliteit

Dynamische respons omvat het vermogen van de versterker om tijdvariabel signalen nauwkeurig te reproduceren. Belangrijkste aspecten zijn:

• Bandbreedte .. het frequentiebereik waarover de versterkers winnen blijft relatief constant. Dit wordt vaak uitgedrukt als de eenheid-gain bandbreedte (GBW) in op-amps.
• Tijdens de respons .. hoe de output zich gedraagt wanneer ze wordt blootgesteld aan plotselinge veranderingen (bv. stijgingstijd, overschrijding, tijd die wordt vastgesteld).
• Stabiliteit . . . de neiging van de versterker om oscillatie of overmatige bellen te voorkomen wanneer feedback wordt toegepast. Dit wordt gekwantificeerd door fasemarge en winstmarge.

Dynamische respons is nauw verbonden met de interne polen en nullen van de versterker, en feedback speelt een belangrijke rol bij het hervormen van deze kenmerken.

Feedback Mechanismen en hun classificatie

Negatieve feedback vs. positieve feedback

Feedback kan negatief of positief zijn. Negatieve feedback geeft een signaal terug dat zich verzet tegen de input, waardoor de totale winst wordt verminderd, maar de lineariteit, bandbreedte en stabiliteit verbetert. Positieve feedback versterkt de input, mogelijk veroorzaakt oscillatie of hysterese (gebruikt in vergelijkingen en oscillatoren). In de meeste lineaire versterkers wordt negatieve feedback gebruikt.

Soorten negatieve feedback

• Voltage-serie (serie-shunt): feedbackspanning evenredig aan uitgangsspanning, toegepast in serie met ingang. Gemeenschappelijk in niet-inverteren versterkers.
• Huidige serie (series): feedbackspanning evenredig aan uitgangsstroom. Gebruikt in transgeleidingsversterkers.
• Slag-schut (shunt-shunt): terugkoppelingsstroom evenredig aan uitgangsspanning. Wordt gebruikt in omkeringsversterkers.
• Huidige-shunt (shunt-serie): feedbackstroom evenredig aan uitgangsstroom. Minder gebruikelijk.

Elke topologie beïnvloedt invoer- en uitvoerimpedanties verschillend, en deze impedantie verandert indirect de verdraaiingssnelheid en dynamische respons als gevolg van belastingseffecten en bandbreedtebeperkingen.

Gedetailleerde impact van feedback op het percentage van de slachting

Hoe Feedback vermindert Slew Rate

In een typische op-amp met negatieve feedback wordt de interne compensatie condensator ingebouwd in het circuit om stabiliteit te garanderen, vooral bij eenheid winst. Het feedback netwerk verandert niet direct de interne slew rate limiet (geset door de ingangstrap staartstroom en de compensatie condensator), maar het beïnvloedt de externe signaalomstandigheden. Wanneer feedback wordt toegepast, de versterker werkt met een lagere gesloten-loop winst. Om dezelfde differentiële ingangsspanning te handhaven, de feedback netwerk eist dat de output sneller voor een bepaalde ingang stap? Eigenlijk, het tegenovergestelde: de differentiële ingangsspanning wordt verminderd door feedback, zodat de interne slee snelheid limiet minder waarschijnlijk wordt geactiveerd voor kleine signaalschommelingen. Echter, voor grote signaalstappen, de versterker nog steeds schudt met de interne snelheid. Dus negatieve feedback niet inherent verminderen de haalbare slew rate; in plaats daarvan, de gesloten-loop gain setting kan de output om dezelfde totale spanning te zwaaien in een kortere tijd als de ingang stap groter is dan de gesloten-loop gain.

Huidige-feedbackversterkers: Een ander verhaal

In stroomfeedbackversterkers (CFA) wordt de verzwaard snelheid niet beperkt door een compensatiecondensator ..oplaadstroom omdat de interne knoop een lage impedantie is. In plaats daarvan kan de verzwaard snelheid extreem hoog zijn, beperkt alleen door de outputfase en parasitaire capaciteit. Echter, zelfs in CFA's, beïnvloedt feedback de reactie op grote signalen: de feedbackweerstand stelt de gesloten bandbreedte in, en onjuiste feedback kan leiden tot ringen of instabiliteit zonder dat dit direct invloed heeft op de verzwakkingssnelheid.

Experimentele metingen

Metingen op een standaard voltage-feedback op-amp (bv. LM741) tonen een typische slew rate van 0,5 V/μs ongeacht de feedback gain (zolang de versterker niet wordt gedreven in non-lineairheid). Echter, wanneer de versterker is geconfigureerd voor zeer lage gesloten-loop winsten (bv. winst 1), de output stap nodig voor een bepaalde ingang stap is kleiner, zodat de versterker niet de slw limiet voor matige ingangen raken. Maar de maximale snelheid van verandering blijft vast. Dus feedback verandert niet de intrinsieke slew rate .Maar het verandert de input van het inputpunt en de signaal amplitude nodig om te sluwen. In veel tekstboeken, wordt gesteld dat negatieve feedback ] vermindert de effectieve slew rate[[] omdat de feedback netwerk de output om de input te volgen de input meer moet volgen.

Effect van feedback op dynamische respons

Bandbreedte-extensie

Een van de belangrijkste effecten van negatieve feedback is de uitbreiding van bandbreedte. Voor een versterker met open-loop gain A en een dominante pool bij frequentie f0 wordt de gesloten bandbreedte ongeveer f[0 × (1 + βA), waar β de feedbackfactor is. Dit staat bekend als gain-bandbreedte product trade-off: ]gesloten-loopbandbreedte = eenheid-gain bandbreedte / (1 + βA)? Eigenlijk, voor een op-amp met constant GBW product, gesloten-loop bandbreedte = GBW / gesloten-loop gain dienen dienen de bandbreedte-loopwinst dienen te worden verhoogd als de gesloten-loop gain-loop-winst (d.e. als feedbackfactor toeneemt).

Voorbijgaande respons en fasemarge

Feedback vormt ook de voorbijgaande respons. In een feedbacksysteem introduceert de functie van de overdracht van gesloten lus een noemer die afhangt van de luswinst. Als de luswinst meerdere polen heeft, kan negatieve feedback pieken of oscillaties veroorzaken als de fasemarge onvoldoende is. Fasemarge is het verschil tussen de open-lus faseverschuiving en -180° bij de frequentie waar de omvang van de luswinst eenheid (0 dB) is. Een fasemarge van 60° is typisch voor een goed geschoren voorbijgaande respons met minimale overschrijding. Toename van feedback (d.w.z. hogere β) vermindert de gesloten luswinst, maar kan ook lagere fasemarge omdat de winst crossover frequentieverschuivingen naar een regio waar de open-loopfase meer is gedaald. Daarom kan agressieve feedback leiden tot instabiliteit of ringing. In dergelijke gevallen wordt compensatie (bijv., dominante poolcompensatie) gebruikt om stabiliteit te garanderen, maar dat compensatie inherent de slew rate en bandbreedte beperkt.

Effecten op vervorming en door zwenken veroorzaakte vervorming

Negatieve feedback vermindert harmonische vervorming door het foutsignaal te minimaliseren. Echter, wanneer de versterker uitvalt, breekt de interne lineaire werking af en feedback kan de vervorming niet corrigeren omdat de uitgangssnelheid beperkt is. Dit staat bekend als www-geïnduceerde vervorming (SID). Feedback helpt de amplitude van het schuifgedeelte van het signaal te verminderen door de output te dwingen de ingang nauwkeuriger te volgen, maar zodra de interne verzwaarde snelheidslimiet is bereikt, verliest feedback controle totdat de invoer wordt vertraagd. Voor audioversterkers is SID een belangrijk probleem bij hoge frequenties, en feedback alleen kan het niet elimineren. Ontwerpers moeten kiezen voor versterkers met een voldoende verzweefsnelheid voor de toepassing.

Afspraken tussen de Slew Rate en de Dynamic Response

Toename van het Slew Rate op de Expense of Stability

Om een hoog slee rate te bereiken, verminderen ontwerpers vaak de compensatiecapaciteit of verhogen ze de inputfasevooroordeelstroom. Beide acties kunnen fasemarge afbreken, wat leidt tot instabiliteit en een slechte voorbijgaande respons. Zo hebben ongecompenseerde op-amps (zoals de LM318) hogere slee rates (70 V/μs) maar vereisen externe compensatie om een stabiele werking te bereiken bij lage winsten. Zo is er een directe trade-off tussen slw rate en het vermogen om hoge feedback (d.w.z. lage gesloten-loop winst) te gebruiken zonder oscillaties.

Optimaliseren voor toepassingen met hoge snelheid

Voor high-speed data-acquisitie of videotoepassingen moet de ideale versterker zowel een hoge slw rate als een brede bandbreedte met voldoende fasemarge hebben. Dit vereist vaak het gebruik van huidige feedback architecturen of geavanceerde topologieën zoals helikopter-gestabiliseerde of auto-nulversterkers. Feedback netwerken moeten zorgvuldig worden ontworpen: lage-waarde weerstanden verminderen lawaai en parasitaire capaciteit effecten, maar verhogen het energieverbruik. De feedback factor β moet worden gekozen om bandbreedte en fasemarge in evenwicht te brengen.

Meting van de slew rate in feedbacksystemen

Bij het meten van de slew rate in een gesloten-lus systeem is het belangrijk om een grote ingangsstap (typisch 10 V) toe te passen die de versterker tot verzwaaiende beperking drijft. De helling van de uitgangsgolfvorm wordt gemeten tussen 10% en 90% van de uiteindelijke waarde. Feedback verandert de gemeten helling niet, maar de aanwezigheid van feedback kan leiden tot overschrijding na de sleeperiode als gevolg van de gesloten-loop dynamiek. [Texas Instruments application note SBOA094[]] biedt een gedetailleerde bespreking van de slew rate meettechnieken in operationele versterkers.

Experimentele waarnemingen en gegevens

Labtest: OP27 vs. NE5534

Denk aan twee populaire operationele versterkers: de OP27 (precisie) en de NE5534 (hoge snelheid). De OP27 heeft een typische slew rate van 2,8 V/μs en een gain-bandbreedte product van 8 MHz. Wanneer geconfigureerd in een niet-inverterende winst van 10, beide versterkers vertonen dezelfde kleine signaalbandbreedtes, maar de OP27 slw rate is veel lager, wat zichtbare vervorming voor snelle grote signaalpulsen veroorzaakt. De NE5534, met een slew rate van 13 V/μs, behandelt grote signalen beter bij dezelfde feedback winst. Echter, de OP27 pluriformiteit van lage ruis en DC maakt het beter voor instrumentatie, wat aantoont dat slw rate is niet de enige overweging.

Effect van een verhoging van de feedbackfactor op de opkomsttijd

Voor een vaste versterker verhoogt de feedbackfactor (d.w.z. het verminderen van de winst van gesloten lus) de kleine bandbreedte en vermindert daardoor de stijgingstijd van de output voor kleine stappen. Echter, als de stap groot genoeg is om het zwenken te veroorzaken, wordt de stijgingstijd beperkt door de zwenksnelheid, onafhankelijk van feedback. Bijvoorbeeld, het gebruik van een LM741 met een 10 .0 90% stijgingstijd voor een 1 V stap is ongeveer 1,4 μs (beperkt door bandbreedte), maar voor een 10 V stap, de stijgingstijd is ongeveer 10 V / 0,5 V / μs = 20 μs, die sluw-snelheid beperkt is. Het veranderen van de feedback winst van 10 naar 1 verandert niet de doorslag-beperkte stijgingstijd voor dezelfde output swing. Dit bevestigt dat feedback niet verandert de intrinsieke slew rate maar verandert de omstandigheden waaronder sluw-dominvloeden.

Fase Marge vs. Slew Rate

Een studie van Analoge apparaten toont aan dat compensatiecondensatoren toegevoegd om de fasemarge te verbeteren het verzwaarde tarief evenredig verminderen. Voor een bepaalde versterker, een 10 pF compensatie cap geeft een 20 V/μs verzwakkingsratio, terwijl een 30 pF cap levert 6,7 V/μs. De trade-off is duidelijk: stabiliteit (fase marge > 60°) vaak vraagt een grotere compensatie cap, beperking van de slew rate. In feedback ontwerp, als de gesloten-lus winst is hoog genoeg is dat de bandbreedte onder de frequentie waar fase marge wordt kritiek, een kleinere compensatie cap kan worden gebruikt, waardoor hogere slew rate. Daarom zijn veel op-amps gespecificeerd voor minimale stabiele winst (bijv., LM318 stabiel voor winsten ≥ 5).

Toepassingen en richtsnoeren voor het ontwerp in de reële wereld

Audioversterkers

In audiocircuits wordt feedback uitgebreid gebruikt om vervorming te verminderen en bandbreedte te vergroten. Echter, de verzwaaisnelheid moet voldoende zijn om de maximale frequentie en amplitude zonder SID te hanteren. Een gemeenschappelijke vuistregel: de vereiste verzwaaisnelheid voor een audioversterker is . Voor een 20 kHz, 10 V pieksignaal: ≥ 2π × 20e3 × 10 ≈ 1.26 V/μs. Veel audio-op-amps overtreffen dit, maar hoge vermogenversterkers vaak worstelen. Feedback kan ook introduceren ]tient intermodulatie vervorming (TIM) als de feedbacklus niet snel fouten kan corrigeren als gevolg van verzweefbeperkende. Ontwerpers moeten versterkers selecteren met verzweefsnelheden meerdere malen het theoretische minimum.

Hoge snelheids-dataconverters

In ADC-drivercircuits moet de op-amp zich binnen 1/2 LSB bevinden voordat de volgende conversie plaatsvindt. Zowel bandbreedte als verzwaarde snelheid. Feedback bepaalt de gesloten bandbreedte en dus de kleine signaalafwikkelingstijd. Voor grote stapwijzigingen (bijv. van 0 tot 5 V) is de verzwaard snelheid de dominante factor. Een feedbacknetwerk met hoge β (lage winst) biedt een grotere bandbreedte maar kan ook zorgen voor een geluidsoverstijgende piek. Met behulp van Texas Instruments guide on op-amp verzweefsnelheid in data-overname kunnen ingenieurs de vereiste verzweefsnelheid berekenen vanaf de volledige stap en de bemonsteringsperiode.

RF- en IF-versterkers

In RF-circuits verwijst dynamische respons vaak naar de mogelijkheid van de versterker om modulatie met minimale vervorming te verwerken. Negatieve feedback wordt gebruikt voor impedantie matching en versterking stabilisatie, maar bij hoge frequenties, parasitaire effecten beperken de hoeveelheid feedback die kan worden toegepast zonder instabiliteit. Slew rate in RF amps wordt zelden gespecificeerd; in plaats daarvan, parameters zoals stijgingstijd en vermogensbandbreedte worden gebruikt. Niettemin blijven de principes: feedback verlengt bandbreedte maar kan de fasemarge verminderen, wat een zorgvuldige compensatie vereist.

Conclusie

Feedback is een dubbelsnijdend zwaard in versterkerontwerp. Hoewel het dynamische respons verbetert door het vergroten van bandbreedte, het verminderen van vervorming en het verbeteren van de lineariteit, kan het ook interageren met de versterkers interne slew rate beperkingen op manieren die de prestaties van grote signalen afbreken. De intrinsieke slew rate van een versterker wordt ingesteld door interne stromen en capaciteiten en wordt grotendeels beïnvloed door de feedback netwerk in spanning-feedback topologieën. Echter, de gesloten-loop winst, fasemarge, en voorbijgaande gedrag worden direct beïnvloed door de feedback factor. Ontwerpers moeten deze trade-offs balanceren: hoge feedback rendementen betere klein-signaal nauwkeurigheid en bandbreedte, maar kan compensatie die sluwsnelheid of stabiliteit vermindert. Voor toepassingen die hoge sloep rates, stroom-feedback versterkers of ongecompenseerde architecturen vereisen, worden aanbevolen. Inzicht in de interplay tussen feedback, slew rate, en dynamische responsen maakt ingenieurs geïnformeerde keuzes, optimalisatie circuits voor snelheid, precisie en betrouwbaarheid.