주파수 보상
Frequency compensation |
전자공학에서 주파수 보상은 증폭기에 사용되는 기법이며, 특히 음성 피드백을 채택한 증폭기에 사용된다.보통 두 가지 주요 목표를 가지고 있다.의도하지 않게 긍정적인 피드백이 생성되어 앰프가 진동하는 것을 방지하고, 앰프의 스텝 응답에서 오버슈트와 링잉을 제어한다.단극 시스템의 대역폭을 향상시키는 데도 광범위하게 사용된다.
설명
대부분의 증폭기는 부정적인 피드백을 사용하여 왜곡 감소, 소음 감소 개선 또는 온도와 같은 매개변수 변화에 대한 불변도 증가와 같은 기타 바람직한 특성에 대한 이득을 교환한다.이상적으로는 증폭기 주파수 응답의 위상 특성은 선형이지만 기기 제한으로 인해 이 목표를 물리적으로 달성할 수 없다.특히 앰프의 게인 단계 내의 캐패시턴스는 출력 신호가 입력 신호보다 생성되는 각 극에 대해 90°만큼 뒤처지게 한다.[a]위상 지연의 합계가 360°에 도달하면 출력 신호는 입력 신호와 위상이 된다.앰프의 게인이 충분할 때 이 출력 신호의 어떤 부분을 입력에 다시 공급하면 앰프가 진동하게 된다.피드백 신호가 입력 신호를 보강하기 때문이다.즉, 피드백은 부정적이기 보다는 긍정적이다.
이러한 결과를 피하기 위해 주파수 보상이 구현된다.
주파수 보상의 또 다른 목표는 그림 1과 같이 증폭기 회로의 스텝 응답을 제어하는 것이다.예를 들어 전압의 단계를 전압 증폭기로 입력하면 이상적으로 출력 전압의 단계가 발생한다.그러나 앰프의 주파수 응답 때문에 출력이 이상적이지 않고, 링잉이 발생한다.단계적 대응의 적절성을 설명하는 몇 가지 공적이 공통적으로 사용된다.하나는 출력의 상승시간인데 이상적으로는 짧을 것이다.1초는 출력이 최종 값에 잠기는 시간이며, 이 시간은 다시 짧아야 한다.최종 값에서 이 로크인에 도달하는 성공은 오버슈트(응답이 최종 값을 초과하는 거리)와 안착 시간(출력이 최종 값에 대해 앞뒤로 흔들리는 시간)으로 설명된다.이러한 단계적 대응의 다양한 척도는 대개 서로 상충되므로 최적화 방법이 필요하다.
주파수 보상은 스텝 응답을 최적화하기 위해 구현되며, 한 가지 방법은 극 분할이다.
작동 증폭기에 사용
운용 증폭기는 매우 보편적이며 피드백과 함께 사용하도록 설계되었기 때문에, 다음의 논의는 이러한 장치의 주파수 보상으로 제한될 것이다.
가장 단순한 작동 증폭기의 출력에도 최소한 두 개의 극이 있을 것으로 예상해야 한다.그 결과 일부 임계 주파수에서 앰프 출력 위상은 입력 신호 위상에 비해 -180°앰프는 이 임계 주파수에서 하나 이상의 이득이 있으면 진동한다.그 이유는 (a) 총 위상 편이 -360°, (b) 이득이 진동을 유도하기에 충분할 정도로 출력 위상에 -180°를 추가하는 반전 입력을 사용하여 피드백을 구현하기 때문이다.
이에 대한 보다 정확한 진술은 다음과 같다.작동 증폭기는 개방 루프 게인이 닫힌 루프 게인과 동일한 주파수에서 진동한다.
- 앰프의 개방 루프 게인은 ≥ 1이고
- 폐쇄 루프 출력 = -180°를 생성하는 네트워크의 개방 루프 신호 위상과 위상 응답 간의 차이.수학적으로,
- ΦOL – ΦCLnet = −180°
연습
주파수 보상은 진동을 유발하는 조건을 피하기 위해 앰프의 개방 루프 출력이나 피드백 네트워크 또는 둘 다의 게인 및 위상 특성을 수정함으로써 구현된다.이것은 보통 저항 캐패시턴스 네트워크의 내부 또는 외부 사용에 의해 이루어진다.
우성극보상
가장 일반적으로 사용되는 방법을 지배극 보상이라고 하는데, 이것은 지연 보상의 한 형태다.외부 보상 기법으로 비교적 낮은 폐쇄 루프 이득에 사용된다.오픈 루프 응답에서 적절한 저주파수에 배치된 폴은 다음으로 높은 주파수 폴 위치 또는 바로 아래에 있는 주파수에 대해 앰프의 이득을 1(0dB)로 감소시킨다.가장 낮은 주파수 극은 모든 고주파 극의 효과를 지배하기 때문에 우성 극이라고 불린다.그 결과 반응 요소가 없는 피드백 네트워크의 개방 루프 출력 위상과 위상 응답 사이의 차이는 절대 -180° 이하로 떨어지지 않는 반면 앰프는 하나 이상의 이득이 있어 안정성을 보장한다.
지배극 보상은 앰프의 이득의 대부분을 제공하는 스테이지에 통합 캐패시턴스를 추가함으로써 범용 작동 증폭기에 대해 구현될 수 있다.이 캐패시터는 주파수에서 다음으로 높은 극이 위치한 주파수 바로 아래 또는 그 주파수에서 이득이 1(0dB)로 감소할 정도로 낮은 주파수에서 설정된 극을 생성한다.결과는 여전히 높은 극의 근접성에 따라 45°의 위상 여백이다.[b]이 여백은 가장 일반적으로 사용되는 피드백 구성에서 진동을 방지하기에 충분하다.또한 지배극 보상은 앰프 스텝 응답에서 오버슈트 및 링잉을 제어할 수 있어 단순한 안정성의 필요성보다 더 까다로운 요건이 될 수 있다.
이 보상 방법은 아래에 설명되어 있다.
A를 개방 루프 구성에서 op 앰프의 보정되지 않은 전송 기능이 되도록 두십시오. 이 기능은 다음과 같다.
여기서 AOL= Op-Amp w1, w, w23= 이득이 발생하는 주파수에서 각각 -20dB, -40dB 및 -60dB가 롤링한다.
따라서 보상을 위해 그림과 같이 Op-Amp와 직렬로 RC 네트워크를 추가하여 지배적인 폴을 도입한다.
보정된 개방 루프 Op-Amp 회로의 전송 기능은 다음과 같다.
여기서d f < f1 < f2 < f < f > f3.
보정d 캐패시턴스 C는 f < f와1 같이 선택된다.따라서, 지배 폴 보상 개방 루프 Op-Amp 회로의 주파수 응답은 그래프에서와 같이 f에서d1 균일한 게인 롤오프와 0이 된다.
지배적인 극성 보상의 장점은 다음과 같다.간단하고 효과적이다. 2.대역폭을 벗어난 소음 주파수 성분이 제거되기 때문에 소음 내성이 개선된다.
단순하고 효과적이긴 하지만, 이런 종류의 보수적인 지배적인 극지방 보상은 두 가지 단점이 있다.
- 그것은 증폭기의 대역폭을 감소시켜 더 높은 주파수에서 이용 가능한 개방 루프 이득을 감소시킨다.이는 결과적으로 더 높은 주파수에서 왜곡 보정 등에 이용 가능한 피드백의 양을 감소시킨다.
- 그것은 앰프의 슬루 레이트를 감소시킨다.이러한 감소는 보정 단계를 구동하는 유한 전류가 보상 캐패시터를 충전하는 데 걸리는 시간에서 비롯된다.그 결과 앰프는 높은 진폭을 재현할 수 없고, 빠르게 변화하는 신호를 정확하게 전달할 수 없다.
종종 지배극 보상의 이행은 극이 분열되는 현상을 초래한다.이로 인해 비보상 증폭기의 가장 낮은 주파수 극이 훨씬 낮은 주파수로 "이동"되어 지배적인 극이 되고, 비보상 증폭기의 고주파 극이 "이동"되어 더 높은 주파수로 이동하게 된다.이러한 단점을 극복하기 위해 폴 제로 보상이 사용된다.
기타 방법
다른 보상 방법으로는 납 보상, 납-래그 보상 및 피드-전방 보상이 있다.
- 선도 보상.지배적인 폴 보상은 개방 루프 응답에 폴을 배치하거나 이동하는 반면, 납 보상은 기존 폴 중 하나를 취소하기 위해 개방 루프 응답에 0을[c] 배치한다.
- 피드-포워드 또는 밀러 보상은 높은 주파수에서 앰프의 단계를 우회하기 위해 콘덴서를 사용하여 스테이지가 생성하는 폴을 제거한다.
이 세 가지 방법의 목적은 앰프 폐쇄 루프 안정성을 유지하면서 더 큰 개방 루프 대역폭을 허용하는 것이다.그것들은 종종 높은 이득, 넓은 대역폭 증폭기를 보상하기 위해 사용된다.
각주
- ^ 이 맥락에서 폴은 통합 저항과 용량성 리액턴스로 인해 진폭이 3db 감소하는 주파수 응답 곡선의 지점이다.궁극적으로 각 극은 90°의 위상 지연을 초래하게 된다. 즉, 출력 신호가 이 시점에서 입력 신호에 90° 뒤처지게 된다.극의 수학적 개념은 극(복잡한 분석)을 참조한다.
- ^ 우세한 극은 극 주파수의 약 10배에서 다음 높은 극 위치 아래의 10배인 주파수에 이르는 위상 편향 -90°를 생성한다.다음으로 높은 극은 총 -135°(여전히 높은 극은 제외) 동안 위치에서 주파수에 대해 또 다른 -45°를 추가한다.
- ^ 이 맥락에서 0은 구별되는 저항과 용량성 리액턴스로 인해 진폭이 3db씩 증가하는 주파수 응답 곡선에서 포인트다.궁극적으로 각 0은 위상 리드가 90°, 즉 출력 신호의 위상이 이 지점에서 입력 신호의 위상보다 90° 앞서게 된다.0의 수학적 개념은 0(복잡한 분석)을 참조하십시오.
