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Ch. 12 Operational Amplifier

(OP-AMP)

Yun SeopYu정귀환과 안정도

안정도 (Stability): 발진이 일어나지 않는 정도

정귀환 (Positive feedback)

발진 (oscillation) (when BAol > 1)불안정화


루프이득

불안정이득

정귀환

BAol (폐루프 증폭기 루프이득) > 1

위상 여유 (Phase Margin): 루프의 전체 위상지연을 360°로 만드는데

필요한 부가 위상 지연량

- 입출력 위상 지연: 180°- OP-Amp 내부 RC 지연 회로 위상차: φtot- 전체 위상 지연: 180° + φtot

위상여유 (PM): 180° + φtot + φPM = 360°

φPM = 180° - φtot- PM: (+) 전체 위상 지연 < 360° 안정- PM: (-) 전체 위상 지연 > 360° 불안정

반전 입력에 동상입력 가능


안정도 해석

연산 증폭기 회로: 부귀환, BAol > 1

안정도 판단: 내부 지연회로 위상각 φtot으로 판단

보드선도 (bode plot) 이용

경우 1

Acl(mid) = 106 dB, fmax = 5 kHz

°−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−−

−−−

12.108k100

k5tank10k5tan

k1k5tan

tantantan

111

3

max1

2

max1

1

max1

ccctot f

fff

ffφ

φPM = 180°- |φtot| = 180°– 108.12°= 71.88°

PM: (+) 이므로 안정

fc1 fc2 fc3


안정도 해석

경우 2Acl(mid) = 80 dB, fmax = 30 kHz

°−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−= −−−

32.176k100k30tan

k10k30tan

k1k30tan 111

totφ

φPM = 180°- |φtot| = 3.64°

PM: (+) 이므로 안정그러나, 불안정하기 쉽다.φPM = +45°: 최소한 여유 필요


안정도 해석

경우 3Acl(mid) = 18 dB, fmax = 500 kHz

°−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−= −−−

43.257k100k500tan

k10k500tan

k1k500tan 111

totφ

φPM = 180°- |φtot| = -77.43°

PM: (-) 이므로 불안정 (발진)


안정도 판정 요약

모든 중역 주파수에서 안정하기 위한 조건: 폐루프 이득곡선 (Acl)과 개방루프이득 (Aol)이 –20 dB 선상에서 교차하도록

φPM = +45°: 최소한 여유 필요

Yun SeopYuOP-Amp 보상 (Compensation)

폐루프 전압이득 곡선 기울기 ≤ –20 dB/decade

매우 높은 Acl(mid)

그러나, 작은 Acl(mid) 요구

Solution: 낮은 Acl(mid) + 위상 지연 보상

위상 지연 보상

보상 없는 Aol

조금의 보상 있는 Aol1

많은 보상 있는 Aol2

Acl1

Acl2


보상 회로

Cc CRR

f)(2

1

21 +=

π


보상회로

보상회로가 부가된 연산 증폭기


Extra Example: 안정성 보장되는 최소 Acl = 40 dB 20 dB 되도록보상회로 fc’ ?보상회로 이상적 응답곡선?보상회로 포함 후, 개방루프

응답곡선?

fc’ = 10Hz


보상의 한계

741 회로: 내부에서 적당한 CC 사용 보상 (내부 보상)

문제점: 대역폭 좁아져 슬루율 감소

외부보상:

일부 보상 완전 보상

C1 : 외부 보상 콘덴서


한 개의 콘덴서 이용한 보상

외부 콘덴서 이용 대역폭 변화시킴 (문제점)

순방향 보상 대역폭 감소 줄임

a)

b)

고주파에서 내부입력단을 바이패스시키고두번째단 증폭구동

Yun SeopYu시뮬레이션

Inverting Amp.


Oscilloscope 결과

Acl(I) = -Rf/Ri = 33k/2.2k = -15 반전Vin(p-p) ≈ 200 mVVout(p-p) = 3VAv = Vout(p-p) / Vin(p-p) = 15


Bode plot 결과

Acl(I) = 20log(15) = 23.5 dBAcl(I) – 3dB 차단주파수 fc ≈ 66kHz

Yun SeopYuApplication Activity: Op-Amp Audio Amplifier


시뮬레이션

비반전 증폭기AB급 전력증폭기


시뮬레이션

비반전 증폭

AB급 전력증폭

입력


Hand Calculation


gaini

fNIcl Rk

k

R

RA

++=+=

10

15011)(



Class AB Power Amp.

Hand Calculation

ininiout

inout

IIAI

VV

β≈=

= ,

Yun SeopYuFaults in the Noninverting Amplifier

Open Feedback Resistor

very high open-loop gain nonlinear operationseverely clipped output signal


Open Input Resistor

Voltage follower


Internally Open Noninverting Op-Amp Input

No input No output

Yun SeopYu

26

Homework

All Examples

Selected Problems(P.656-665): 10, 13, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 25, 39, 53

Yun SeopYu

27

Yun SeopYu

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