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» 2017年12月26日 11時00分 公開

アナログ回路設計:オペアンプのダイナミック応答の検討(1) タイプ2補償回路の使用時 (6/6)

[Christophe Basso(ON Semiconductor France SAS),EDN]
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回路間での応答の比較

 開ループゲインを説明するタイプ2の補償回路によるダイナミック応答を、以下の参考資料[1]に示すタイプ2の補償回路の理想的な伝達関数と比較するのは興味深いことです。

 ここで、

 比較の目的で、50dBの開ループゲインを持つオペアンプ(例えば、TL431)と次のターゲットを想定します。fc=10kHzで、この周波数での補償ゲインは20dBで、位相ブーストは65度でなければなりません。12V出力および、2.5Vの基準電圧に対応するR1とRlowerを計算します。式31式36の2つのダイナミック応答を図14に示します。クロスオーバーゲインと位相ブーストの偏差は無視できる大きさです。ただし、120Hzの周波数で式31のゲインが35dBであるのに対し、式36のゲインは45dBです。

 最後に、有限なAOLオプションに対する擬似静止ゲインはわずか36.4dB(約66)であるのに対し、理想的なオペアンプでは無限大です。これらの数値の違いはどのような影響を及ぼしますか。ライン電圧の周波数で2回目のゲイン不足が生じると、制御システムの整流リップル除去能力に影響を及ぼします。出力変数はこの要因によって劣化しており、電圧モード制御では特にそれが顕著です。また、プラントゲインも同様に低い場合は、被制御変数に大きな静的誤差が生じる可能性があります。例えば80dBなど、より大きいAOLを持つオペアンプを選択した場合、違いがなくなり図15に示すように両方の曲線は互いに接近します。

図14:開ループゲインAOLとローサイド抵抗Rlowerを考慮するタイプ2のボード線図では、元の理想的な式に比べて過度に大きな違いはみられない
図15:開ループゲインAOLが大きくなると両方の曲線はほぼ重なり合う。AOLゲインが50dBでの36dBに比べて、擬似静止ゲインは66.3dBに上昇している

まとめ

 この第1部では、理想的でないオペアンプを採用した補償回路における開ループゲインの影響を示しました。オペアンプが理想的でないと考えられる場合でも、弱い開ループゲインがダイナミック応答の低周波数領域に及ぼす影響を確認し、この条件に起因する性能低下を評価することができます。この第1部では開ループゲインの影響のみを考慮しました。第2部では、低周波および高周波の2つの極を追加してより複雑な分析を実施します。これは安定性を保証するために、設計者がオペアンプで自然に実施している設定です。


参考資料
[1]C. Basso, “ Designing Control Loops for Linear and Switching Converters – A Tutorial Guide”, Artech House 2012, ISBN 978-1-60807-557-7
[2]C. Basso, “Linear Circuit Transfer Functions – An Introduction to Fast Analytical Techniques”, Wiley 2016, ISBN 978-1-119-23637-5
[3]V. Vorpérian, “Fast Analytical Techniques for Electrical and Electronic Circuits”, Cambridge University Press 2002, ISBN 978-0-521-624428
[4]C. Basso, “Fast Analytical Techniques at Work with Small-Signal Modeling”, APEC Professional Seminar, Long Beach (CA), 2016, http://cbasso.pagesperso-orange.fr/Spice.htm

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