3 補償方式

電圧レール レギュレーション、A/D コンバータのフィルタ容量、または他の回路の必要性のいずれかについて、オペアンプの出力側にコンデンサを減らすことができない場合があります。このような場合、適切な位相マージンを実現するにはどうすればよいでしょうか。位相マージンを増やすことができる複数の補償方式が存在していますが、この記事では 図 3 および 図 4 に示す絶縁抵抗 (Riso) と Riso デュアル フィードバックという 2 つの補償方式に注目します。これらの回路の設計では、帰還ループの安定化に必要な Riso 値を決定するのが困難な場合があります。

図 3 Riso 補償方式。

図 4 Riso デュアル フィードバック方式。

Riso は、負荷容量によって生じる位相遅れを絶縁する最も簡単な方法です。帰還ループと負荷コンデンサの間に抵抗を配置する必要があります。ただし、出力に負荷電流が発生すると DC 精度が低下することが 1 つ欠点です。DC 誤差の大きさは、絶縁抵抗の値に出力電流を掛けた値になります。

Riso デュアル フィードバック補償方式を採用すると、この DC 誤差を克服できます。この回路により帰還コンデンサを通過する高周波パスは、帰還ループと、オペアンプが絶縁抵抗全体での I × R 降下を補償できる DC パスを安定化させることができます。これらの値は、異なる値の Riso を試し、安定した動作がある場所を見ることで、数学的にもシミュレーションによっても見つけることができます。

では、シミュレーション結果を用いた数学的解析を用いたアプローチを試みみましょう。

アンプ ループの安定性を正確にモデル化するための 2 つの主要部品は、開ループ ゲインと開ループ出力インピーダンスです。テキサス・インスツルメンツの標準オペアンプ マクロモデルである Green-Williams-Lis (GWL) モデルは、2016 年以降にリリースされたすべてのオペアンプについて、これらのパラメータを高精度で特性評価します。LM2904 やその新しいバージョン LM2904B などの一般的なオペアンプの多くには、これらのオペアンプ用に作成された GWL マクロモデルも付属しています。SPICE マクロモデル用のライブラリ ファイルには、SPICE モデルに正確に反映されているパラメータの詳細を示すヘッダーが含まれています。開ループ ゲインと開ループ出力インピーダンスをモデル化している場合、モデルの安定性がシリコンの性能を反映する可能性があります。

SPICE モデルの精度を保証することで、回路のループ安定性を解析し、Riso に対して最適な値を数学的に計算できます。45 度の位相マージンを確保する Riso の値は、フィードバック係数 (1/β) とアンプの開ループ ゲインの交点で、帰還ループにゼロを生成する必要があります。さらに確実性を高めるために、開ループ ゲインが 20dB の位置にゼロを設定すると、帰還ループ内のゼロからの最大正の位相シフトがわかります。

PSpice for TI の電力の一部は、後の回路図のためにシミュレーションと式を設定、アーカイブ、共有することができます。Riso と Riso デュアル フィードバックの評価は式で、簡単に再現できるため、これらのテンプレート プロジェクトを活用すれば、4 つの一般的なオペアンプ回路にわたって、Riso デュアル フィードバック回路の Riso または Rf/Cf を計算するための式を覚えておく必要がなくなります。PSpice for TI プロジェクトをダウンロードし、解析しようとするオペアンプをドロップインし、安定化が必要な特定の回路を完成させるパラメータを入力して、シミュレーションを実行し、必要な Riso 値を見つけるだけです。これらのプロジェクトは、反転端子の容量によって不安定な回路や非常に大きい帰還抵抗を使用した回路を補償することもできます。