Considerações Práticas do Amp Op

Os amplificadores operacionais reais têm algumas imperfeições em comparação com um modelo “ideal”. Um dispositivo real é diferente de um amplificador de diferença perfeita. Um menos um pode não ser zero. Ele pode ter um deslocamento como um medidor analógico que não é zerado. As entradas podem consumir corrente. As características podem variar com o tempo e a temperatura. O ganho pode ser reduzido em altas frequências e a fase pode mudar da entrada para a saída. Essas imperfeições podem não causar erros perceptíveis em alguns aplicativos e erros inaceitáveis ​​em outros. Em alguns casos, esses erros podem ser compensados. Às vezes, é necessário um dispositivo de maior qualidade e custo mais alto.

Ganho de modo comum

Como afirmado antes, um amplificador diferencial ideal apenas amplifica a diferença de voltagem entre suas duas entradas. Se as duas entradas de um amplificador diferencial estivessem em curto (garantindo assim a diferença de potencial zero entre elas), não deveria haver mudança na tensão de saída para qualquer quantidade de tensão aplicada entre essas duas entradas em curto e o terra:



Tensão que é comum entre qualquer uma das entradas e o terra, como “V _{modo comum} ”Neste caso, é chamada de tensão de modo comum . À medida que variamos esta tensão comum, a tensão de saída do amplificador diferencial perfeito deve se manter absolutamente estável (nenhuma mudança na saída para qualquer mudança arbitrária na entrada de modo comum). Isso se traduz em um ganho de tensão de modo comum de zero.



O amplificador operacional, sendo um amplificador diferencial com alto ganho diferencial, idealmente também teria ganho de modo comum zero. Na vida real, no entanto, isso não é facilmente alcançado. Assim, as tensões de modo comum invariavelmente terão algum efeito na tensão de saída do amplificador operacional.

O desempenho de um amplificador operacional real a este respeito é mais comumente medido em termos de seu ganho de tensão diferencial (o quanto ele amplifica a diferença entre duas tensões de entrada) versus seu ganho de tensão de modo comum (o quanto ele amplifica um modo comum Voltagem). A proporção do primeiro para o último é chamada de proporção de rejeição de modo comum , abreviado como CMRR:



Um op-amp ideal, com ganho de modo comum zero, teria um CMRR infinito. Os amplificadores operacionais reais têm CMRRs altos, o onipresente 741 tendo algo em torno de 70 dB, o que resulta em pouco mais de 3.000 em termos de proporção.

Como a taxa de rejeição do modo comum em um amplificador operacional típico é tão alta, o ganho do modo comum geralmente não é uma grande preocupação em circuitos onde o amplificador operacional está sendo usado com feedback negativo. Se a tensão de entrada de modo comum de um circuito de amplificador mudasse repentinamente, produzindo uma mudança correspondente na saída devido ao ganho de modo comum, essa mudança na saída seria rapidamente corrigida como feedback negativo e ganho diferencial (sendo muito maior do que o ganho de modo comum) funcionou para trazer o sistema de volta ao equilíbrio. Com certeza, uma mudança pode ser vista na saída, mas seria muito menor do que o que você poderia esperar.

Uma consideração a ter em mente, entretanto, é o ganho de modo comum em circuitos de amplificadores operacionais diferenciais, como amplificadores de instrumentação. Fora do pacote selado do amplificador operacional e do ganho diferencial extremamente alto, podemos encontrar o ganho de modo comum introduzido por um desequilíbrio dos valores do resistor. Para demonstrar isso, vamos executar uma análise SPICE em um amplificador de instrumentação com entradas em curto (sem tensão diferencial), impondo uma tensão de modo comum para ver o que acontece. Primeiro, vamos executar a análise mostrando a tensão de saída de um circuito perfeitamente balanceado. Devemos esperar não ver nenhuma mudança na tensão de saída à medida que a tensão do modo comum muda:

 amplificador de instrumentação v1 1 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10k r3 3 7 10k r4 7 9 10k r5 6 8 10k r6 8 0 10k .dc v1 0 10 1 .print dc v (9) .end 

 v1 v (9) 0,000E + 00 0,000E + 00 1,000E + 00 1,355E-16 2,000E + 00 2,710E-16 3,000E + 00 0,000E + 00 Como você pode ver, a tensão de saída v ( 9) 4.000E + 00 5.421E-16 dificilmente muda para um modo comum 5.000E + 00 0.000E + 00 tensão de entrada (v1) que varre de 0 6.000E + 00 0.000E + 00 a 10 volts. 7,000E + 00 0,000E + 00 8,000E + 00 1,084E-15 9,000E + 00 -1,084E-15 1,000E + 01 0,000E + 00 

Além de desvios muito pequenos (na verdade, devido a peculiaridades do SPICE em vez do comportamento real do circuito), a saída permanece estável onde deveria estar:em 0 volts, com diferencial de tensão de entrada zero. No entanto, vamos introduzir um desequilíbrio do resistor no circuito, aumentando o valor de R ₅ de 10.000 Ω a 10.500 Ω, e veja o que acontece (a netlist foi omitida por brevidade — a única coisa alterada é o valor de R ₅ ):

 v1 v (9) 0,000E + 00 0,000E + 00 1,000E + 00 -2,439E-02 2.000E + 00 -4,878E-02 3,000E + 00 -7,317E-02 Desta vez, vemos uma variação significativa 4.000E + 00 -9.756E-02 (de 0 a 0,2439 volts) na tensão de saída 5.000E + 00 -1.220E-01, pois a tensão de entrada de modo comum varre 6.000E + 00 -1.463E-01 de 0 a 10 volts como fazia antes. 7,000E + 00 -1,707E-01 8,000E + 00 -1,951E-01 9,000E + 00 -2,195E-01 1,000E + 01 -2,439E-01 

Nosso diferencial de tensão de entrada ainda é zero volts, embora a tensão de saída mude significativamente conforme a tensão de modo comum é alterada. Isso é indicativo de um ganho de modo comum, algo que estamos tentando evitar. Mais do que isso, é um ganho comum de nossa própria criação, nada tendo a ver com imperfeições nos próprios amplificadores operacionais. Com um ganho diferencial muito moderado (na verdade igual a 3 neste circuito em particular) e nenhum feedback negativo fora do circuito, esse ganho de modo comum ficará desmarcado em uma aplicação de sinal de instrumento.

Só existe uma maneira de corrigir esse ganho de modo comum:equilibrar todos os valores do resistor. Ao projetar um amplificador de instrumentação de componentes discretos (em vez de comprar um em um pacote integrado), é aconselhável fornecer alguns meios de fazer ajustes finos em pelo menos um dos quatro resistores conectados ao amplificador operacional final para ser capaz de " aparar ”qualquer ganho de modo comum. Fornecer os meios para “ajustar” a rede de resistores também traz benefícios adicionais. Suponha que todos os valores do resistor sejam exatamente como deveriam ser, mas existe um ganho de modo comum devido a uma imperfeição em um dos amplificadores operacionais. Com a provisão de ajuste, a resistência pode ser cortada para compensar esse ganho indesejado.

Uma peculiaridade de alguns modelos de amplificador operacional é a saída latch-up , geralmente causado pela tensão de entrada de modo comum excedendo os limites permitidos. Se a tensão de modo comum cair fora dos limites especificados do fabricante, a saída pode "travar" repentinamente no modo alto (saturar na tensão de saída total). Em amplificadores operacionais de entrada JFET, o travamento pode ocorrer se a tensão de entrada de modo comum se aproximar muito da tensão negativa do trilho da fonte de alimentação. No amplificador operacional TL082, por exemplo, isso ocorre quando a tensão de entrada do modo comum chega a cerca de 0,7 volts da tensão negativa do trilho da fonte de alimentação. Tal situação pode ocorrer facilmente em um circuito de alimentação única, onde o trilho negativo da fonte de alimentação é aterrado (0 volts) e o sinal de entrada está livre para oscilar para 0 volts.

O travamento também pode ser acionado pela tensão de entrada de modo comum excedendo tensões do trilho de fonte de alimentação, negativas ou positivas. Como regra, você nunca deve permitir que a tensão de entrada suba acima da tensão positiva do trilho da fonte de alimentação ou afunde abaixo da tensão negativa do trilho da fonte de alimentação, mesmo se o amplificador operacional em questão estiver protegido contra travamento (assim como o 741 e 1458 modelos op-amp). No mínimo, o comportamento do amplificador operacional pode se tornar imprevisível. Na pior das hipóteses, o tipo de travamento acionado por tensões de entrada que excedem as tensões da fonte de alimentação pode ser destrutivo para o amplificador operacional.

Embora esse problema possa parecer fácil de evitar, sua possibilidade é mais provável do que você imagina. Considere o caso de um circuito amplificador operacional durante a inicialização. Se o circuito recebe tensão de sinal de entrada total antes sua própria fonte de alimentação teve tempo suficiente para carregar os capacitores do filtro, a tensão de entrada de modo comum pode facilmente exceder as tensões do trilho da fonte de alimentação por um curto período. Se o amplificador operacional receber a tensão do sinal de um circuito fornecido por uma fonte de alimentação diferente e sua própria fonte de alimentação falhar, a (s) tensão (ões) do sinal podem exceder as tensões do trilho da fonte de alimentação por um período indefinido de tempo!

Tensão de compensação

Outra preocupação prática para o desempenho do amplificador operacional é o deslocamento de tensão . Ou seja, o efeito de ter a tensão de saída diferente de zero volts quando os dois terminais de entrada estão em curto. Lembre-se de que os amplificadores operacionais são amplificadores diferenciais acima de tudo:eles devem amplificar a diferença de voltagem entre as duas conexões de entrada e nada mais. Quando essa diferença de tensão de entrada é exatamente zero volts, esperaríamos (idealmente) ter exatamente zero volts presente na saída. No entanto, no mundo real, isso raramente acontece. Mesmo se o amplificador operacional em questão tiver ganho de modo comum zero (CMRR infinito), a tensão de saída pode não estar em zero quando ambas as entradas estão em curto. Este desvio de zero é chamado de deslocamento .



Um amplificador operacional perfeito produziria exatamente zero volts com ambas as entradas em curto e aterradas. No entanto, a maioria dos amplificadores operacionais disponíveis no mercado conduzirá suas saídas a um nível saturado, negativo ou positivo. No exemplo mostrado acima, a tensão de saída está saturada em um valor positivo de 14,7 volts, apenas um pouco menos do que + V (+15 volts) devido ao limite de saturação positivo deste amplificador operacional específico. Como o deslocamento neste amplificador operacional está conduzindo a saída a um ponto completamente saturado, não há como dizer quanto deslocamento de tensão está presente na saída. Se a fonte de alimentação dividida + V / -V fosse de uma tensão alta o suficiente, quem sabe, talvez a saída fosse de várias centenas de volts de uma forma ou de outra devido aos efeitos do deslocamento!

Por este motivo, a tensão de deslocamento é geralmente expressa em termos da quantidade equivalente de entrada diferencial de tensão produzindo este efeito. Em outras palavras, imaginamos que o op-amp é perfeito (sem deslocamento algum), e uma pequena voltagem está sendo aplicada em série com uma das entradas para forçar a voltagem de saída para um lado ou outro longe de zero. Sendo que os ganhos diferenciais do amp op são tão altos, o valor para "tensão de compensação de entrada" não precisa ser muito para explicar o que vemos com entradas em curto:



A tensão de compensação tende a introduzir pequenos erros em qualquer circuito do amplificador operacional. Então, como compensamos isso? Ao contrário do ganho de modo comum, geralmente existem disposições feitas pelo fabricante para cortar o deslocamento de um amplificador operacional empacotado. Normalmente, dois terminais extras no pacote do amplificador operacional são reservados para conectar um potenciômetro de “trim” externo. Esses pontos de conexão são rotulados como deslocamento nulo e são usados ​​desta maneira geral:



Em amplificadores operacionais únicos, como o 741 e o 3130, os pontos de conexão nulos deslocados são os pinos 1 e 5 no pacote DIP de 8 pinos. Outros modelos de amplificador operacional podem ter as conexões de deslocamento nulo localizadas em pinos diferentes e / ou exigir uma configuração ligeiramente diferente da conexão do potenciômetro de compensação. Alguns amplificadores operacionais não fornecem pinos nulos de deslocamento de todo! Consulte as especificações do fabricante para obter detalhes.

Polarização atual

As entradas em um amplificador operacional têm impedâncias de entrada extremamente altas. Ou seja, as correntes de entrada que entram ou saem das duas conexões de sinal de entrada de um amplificador operacional são extremamente pequenas. Para a maioria dos propósitos de análise de circuito do amplificador operacional, nós os tratamos como se eles nem existissem. Analisamos o circuito como se não houvesse absolutamente nenhuma corrente entrando ou saindo das conexões de entrada. Essa imagem idílica, no entanto, não é totalmente verdadeira. Os amplificadores operacionais, especialmente aqueles amplificadores operacionais com entradas de transistor bipolares, precisam ter alguma quantidade de corrente através de suas conexões de entrada para que seus circuitos internos sejam polarizados corretamente. Essas correntes, logicamente, são chamadas de correntes de polarização . Sob certas condições, as correntes de polarização do amp op podem ser problemáticas. O circuito a seguir ilustra uma dessas condições problemáticas:



À primeira vista, não vemos problemas aparentes com este circuito. Um termopar, gerando uma pequena tensão proporcional à temperatura (na verdade, uma tensão proporcional à diferença na temperatura entre a junção de medição e a junção de “referência” formada quando os fios de liga do termopar se conectam aos fios de cobre que conduzem ao amplificador operacional), aciona o amplificador operacional positivo ou negativo. Em outras palavras, este é um tipo de circuito comparador, comparando a temperatura entre a junção do termopar final e a junção de referência (perto do amplificador operacional). O problema é o seguinte:o loop de fio formado pelo termopar não fornece um caminho para ambas as correntes de polarização de entrada, porque ambas as correntes de polarização estão tentando seguir o mesmo caminho (para dentro ou para fora do amplificador operacional).



Para que este circuito funcione corretamente, devemos aterrar um dos fios de entrada, fornecendo assim um caminho para (ou de) terra para ambas as correntes:



Não necessariamente um problema óbvio, mas muito real!

Outra maneira pela qual as correntes de polarização de entrada podem causar problemas é diminuindo as tensões indesejadas nas resistências do circuito. Veja este circuito, por exemplo:



Esperamos que um circuito seguidor de tensão como o acima reproduza a tensão de entrada com precisão na saída. Mas e quanto à resistência em série com a fonte de tensão de entrada? Se houver alguma corrente de polarização através da entrada de não inversão (+), ela cairá alguma voltagem em R _em , tornando assim a tensão na entrada não inversora diferente do V real _em valor. As correntes de polarização estão geralmente na faixa de microamp, então a queda de tensão em R _em não será muito, a menos que R _em é muito grande. Um exemplo de aplicação em que a resistência de entrada (R _em ) seria ser muito grande é o dos eletrodos de sonda de pH, onde um eletrodo contém uma barreira de vidro permeável a íons (um condutor muito pobre, com milhões de Ω de resistência).

Se estivéssemos realmente construindo um circuito de amplificador operacional para medição de tensão de eletrodo de pH, provavelmente desejaríamos usar um amplificador operacional de entrada FET ou MOSFET (IGFET) em vez de um construído com transistores bipolares (para menos corrente de polarização de entrada). Mas mesmo assim, as pequenas correntes de polarização que podem permanecer podem fazer com que ocorram erros de medição, então temos que encontrar uma maneira de mitigá-los por meio de um bom projeto.

Uma maneira de fazer isso é baseada na suposição de que as duas correntes de polarização de entrada serão as mesmas. Na realidade, eles costumam ser quase iguais, a diferença entre eles é chamada de corrente de deslocamento de entrada . Se eles forem iguais, então devemos ser capazes de cancelar os efeitos da queda de tensão da resistência de entrada inserindo uma quantidade igual de resistência em série com a outra entrada, como este:



Com a resistência adicional adicionada ao circuito, a tensão de saída ficará mais próxima de V _em do que antes, mesmo se houver algum deslocamento entre as duas correntes de entrada.

Para circuitos amplificadores de inversão e não-inversão, o resistor de compensação de corrente de polarização é colocado em série com a entrada de não inversão (+) para compensar quedas de tensão de corrente de polarização na rede divisora:





Em ambos os casos, o valor do resistor de compensação é determinado calculando o valor da resistência paralela de R ₁ e R ₂ . Por que o valor é igual ao paralelo equivalente a R ₁ e R ₂ ? Ao usar o Teorema da Superposição para descobrir quanta queda de tensão será produzida pela corrente de polarização da entrada inversora (-), tratamos a corrente de polarização como se viesse de uma fonte de corrente dentro do amplificador operacional e curto-circuite todas as fontes de voltagem (V _em e V _out ) Isso fornece dois caminhos paralelos para a corrente de polarização (por meio de R ₁ e por meio de R ₂ , ambos para aterrar). Queremos duplicar o efeito da corrente de polarização na entrada não inversora (+), então o valor do resistor que escolhemos inserir em série com essa entrada precisa ser igual a R ₁ em paralelo com R ₂ .

Um problema relacionado, ocasionalmente experimentado por alunos que estão aprendendo a construir circuitos amplificadores operacionais, é causado pela falta de uma conexão de aterramento comum para a fonte de alimentação. É imperativo para a função apropriada do amplificador operacional que algum terminal da fonte de alimentação DC seja comum à conexão de "aterramento" do (s) sinal (is) de entrada. Isso fornece um caminho completo para as correntes de polarização, corrente (s) de feedback e para a corrente de carga (saída). Veja esta ilustração de circuito, por exemplo, mostrando uma fonte de alimentação devidamente aterrada:



Aqui, as setas denotam o caminho do fluxo de elétrons através das baterias da fonte de alimentação, tanto para alimentar o circuito interno do amplificador operacional (o "potenciômetro" dentro dele que controla a tensão de saída), e para alimentar o loop de feedback dos resistores R ₁ e R ₂ . Suponha, entretanto, que a conexão de aterramento para essa fonte de alimentação CC “dividida” fosse removida. O efeito de fazer isso é profundo:



Nenhum elétron pode entrar ou sair do terminal de saída do amplificador operacional, porque o caminho para a fonte de alimentação é um "beco sem saída". Assim, nenhum elétron flui através da conexão de aterramento à esquerda de R ₁ , nem através do ciclo de feedback. Isso efetivamente torna o amplificador operacional inútil:ele não pode sustentar a corrente através do loop de feedback, nem através de uma carga aterrada, uma vez que não há conexão de nenhum ponto da fonte de alimentação ao aterramento.

As correntes de polarização também são interrompidas, porque dependem de um caminho para a fonte de alimentação e de volta para a fonte de entrada através do aterramento. O diagrama a seguir mostra as correntes de polarização (apenas), conforme elas passam pelos terminais de entrada do amplificador operacional, pelos terminais da base dos transistores de entrada e, eventualmente, pelos terminais da fonte de alimentação e de volta ao aterramento.



Sem uma referência de aterramento na fonte de alimentação, as correntes de polarização não terão caminho completo para um circuito e irão parar. Uma vez que os transistores de junção bipolar são dispositivos controlados por corrente, isso torna o estágio de entrada do amplificador operacional inútil também, já que ambos os transistores de entrada serão forçados a desligar pela completa falta de corrente de base.

REVER:

• As entradas do amplificador operacional geralmente conduzem correntes muito pequenas, chamadas de correntes de polarização , necessário para polarizar adequadamente o primeiro estágio de amplificador de transistor interno aos circuitos dos amplificadores operacionais. As correntes de polarização são pequenas (na faixa de microamp), mas grandes o suficiente para causar problemas em algumas aplicações.
• Correntes de polarização em ambas as entradas devem tem caminhos para fluir para um dos “trilhos” da fonte de alimentação ou para o aterramento. Não é suficiente apenas ter um caminho condutor de uma entrada para a outra.
• Para cancelar quaisquer tensões de deslocamento causadas pela corrente de polarização fluindo através das resistências, basta adicionar uma resistência equivalente em série com a outra entrada do amplificador operacional (chamada de resistor de compensação ) Esta medida corretiva é baseada na suposição de que as duas correntes de polarização de entrada serão iguais.
• Qualquer desigualdade entre as correntes de polarização em um amplificador operacional constitui o que é chamado de corrente de deslocamento de entrada .
• É essencial para a operação adequada do amplificador operacional que haja uma referência de aterramento em algum terminal da fonte de alimentação, para formar caminhos completos para correntes de polarização, corrente (s) de feedback e corrente de carga.

Desvio

Por serem dispositivos semicondutores, os amplificadores operacionais estão sujeitos a ligeiras mudanças de comportamento com as mudanças na temperatura de operação. Quaisquer alterações no desempenho do amplificador operacional com temperatura se enquadram na categoria de deriva do amplificador operacional . Os parâmetros de desvio podem ser especificados para correntes de polarização, tensão de deslocamento e semelhantes. Consulte a folha de dados do fabricante para obter detalhes sobre qualquer amplificador operacional em particular.

Para minimizar o desvio do op-amp, podemos selecionar um op-amp feito para ter um desvio mínimo e / ou podemos fazer o nosso melhor para manter a temperatura operacional o mais estável possível. A última ação pode envolver o fornecimento de alguma forma de controle de temperatura para o interior do equipamento que aloja o (s) amplificador (es) operacional (is). Isso não é tão estranho quanto pode parecer à primeira vista. Os geradores de referência de tensão de precisão padrão de laboratório, por exemplo, às vezes são conhecidos por empregar “fornos” para manter seus componentes sensíveis (como diodos zener) em temperaturas constantes. Se uma precisão extremamente alta for desejada em relação aos fatores usuais de custo e flexibilidade, essa pode ser uma opção que vale a pena examinar.

REVER:

• Os amplificadores operacionais, sendo dispositivos semicondutores, são suscetíveis a variações de temperatura. Quaisquer variações no desempenho do amplificador resultantes de mudanças na temperatura são conhecidas como deriva . A deriva é melhor minimizada com o controle da temperatura ambiente.

Resposta de frequência

Com seus ganhos de tensão diferencial incrivelmente altos, os amplificadores operacionais são os principais candidatos para um fenômeno conhecido como oscilação de feedback . Você provavelmente já ouviu o efeito de áudio equivalente quando o volume (ganho) em um endereço público ou outro sistema de amplificador de microfone está muito alto:aquele guincho agudo resultante da forma de onda de som "realimentando" através do microfone para ser amplificado novamente . Um circuito de amplificador operacional pode manifestar esse mesmo efeito, com o feedback acontecendo eletricamente, em vez de audivelmente.

A case example of this is seen in the 3130 op-amp, if it is connected as a voltage follower with the bare minimum of wiring connections (the two inputs, output, and the power supply connections). The output of this op-amp will self-oscillate due to its high gain, no matter what the input voltage. To combat this, a small compensation capacitor must be connected to two specially-provided terminals on the op-amp. The capacitor provides a high-impedance path for negative feedback to occur within the op-amp’s circuitry, thus decreasing the AC gain and inhibiting unwanted oscillations. If the op-amp is being used to amplify high-frequency signals, this compensation capacitor may not be needed, but it is absolutely essential for DC or low-frequency AC signal operation.

Some op-amps, such as the model 741, have a compensation capacitor built in to minimize the need for external components. This improved simplicity is not without a cost:due to that capacitor’s presence inside the op-amp, the negative feedback tends to get stronger as the operating frequency increases (that capacitor’s reactance decreases with higher frequencies). As a result, the op-amp’s differential voltage gain decreases as frequency goes up:it becomes a less effective amplifier at higher frequencies.

Op-amp manufacturers will publish the frequency response curves for their products. Since a sufficiently high differential gain is absolutely essential to good feedback operation in op-amp circuits, the gain/frequency response of an op-amp effectively limits its “bandwidth” of operation. The circuit designer must take this into account if good performance is to be maintained over the required range of signal frequencies.

REVER:

• Due to capacitances within op-amps, their differential voltage gain tends to decrease as the input frequency increases. Frequency response curves for op-amps are available from the manufacturer.

Input to Output Phase Shift

In order to illustrate the phase shift from input to output of an operational amplifier (op-amp), the OPA227 was tested in our lab. The OPA227 was constructed in a typical non-inverting configuration (Figure below).



OPA227 Non-inverting stage

The circuit configuration calls for a signal gain of ≅34 V/V or ≅50 dB. The input excitation at Vsrc was set to 10 mVp, and three frequencies of interest:2.2 kHz, 22 kHz, and 220 MHz. The OPA227’s open loop gain and phase curve vs. frequency is shown in Figure below.



A_V and Φ vs. Frequency plot

To help predict the closed loop phase shift from input to output, we can use the open loop gain and phase curve. Since the circuit configuration calls for a closed loop gain, or 1/β, of ≅50 dB, the closed loop gain curve intersects the open loop gain curve at approximately 22 kHz. After this intersection, the closed loop gain curve rolls off at the typical 20 dB/decade for voltage feedback amplifiers, and follows the open loop gain curve.

What is actually at work here is the negative feedback from the closed loop modifies the open loop response. Closing the loop with negative feedback establishes a closed loop pole at 22 kHz. Much like the dominant pole in the open loop phase curve, we will expect phase shift in the closed loop response. How much phase shift will we see?

Since the new pole is now at 22 kHz, this is also the -3 dB point as the pole starts to roll off the closed loop again at 20 dB per decade as stated earlier. As with any pole in basic control theory, phase shift starts to occur one decade in frequency before the pole, and ends at 90 ^o of phase shift one decade in frequency after the pole. So what does this predict for the closed loop response in our circuit?

This will predict phase shift starting at 2.2 kHz, with 45 ^o of phase shift at the -3 dB point of 22 kHz, and finally ending with 90 ^o of phase shift at 220 kHz. The three Figures shown below are oscilloscope captures at the frequencies of interest for our OPA227 circuit. Figure below is set for 2.2 kHz, and no noticeable phase shift is present. Figure below is set for 220 kHz, and ≅45 ^o of phase shift is recorded. Finally, Figure below is set for 220 MHz, and the expected ≅90 ^o of phase shift is recorded. The scope plots were captured using a LeCroy 44x Wavesurfer. The final scope plot used a x1 probe with the trigger set to HF reject.



OPA227 Av=50dB @ 2.2 kHz



OPA227 Av=50dB @ 22 kHz



OPA227 Av=50dB @ 220 kHz

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  Inverting and Noninverting OpAmp Voltage Amplifier Circuits Worksheet