Schwingungen, Clipping und Ringing in der Stabilitätsanalyse von Verstärkern

Operationsverstärker bilden wahrscheinlich die Grundlage des Verstärkerwissens für viele Digitaldesigner, und danach kommt in Elektronikkursen möglicherweise nicht mehr viel. Ein Freund von mir scherzte einmal: „Man musste nur HF- und Analogschaltungen lernen, um seine Qualifikationsprüfungen zu bestehen.“ Das ist verständlich; es sei denn, jemand hat in der Telekommunikation gearbeitet oder Testinstrumente entwickelt, hat er wahrscheinlich hauptsächlich an niederfrequenten Analog- oder Digitalsystemen gearbeitet und hatte nicht viel Bedarf an Hochfrequenz-Verstärkerschaltungen. Heutzutage integrieren mehr Systeme analoge Schaltkreise neben digitalen bei hohen Frequenzen (z.B. drahtlos bei IIoT-Produkten), was einen Bedarf an bordeigener Verstärkung schafft.

Ein Aspekt von Verstärkern, der in Komponentendatenblättern manchmal schlecht diskutiert wird, ist die Möglichkeit der Instabilität im Ausgang eines Verstärkers. Ich habe die Möglichkeit der Instabilität von HF-Verstärkern in einem früheren Artikel aufgrund unbeabsichtigter Rückkopplung durch parasitäre Kapazität diskutiert, aber Instabilitäten können auch bei niedrigeren Frequenzen auftreten, wo Parasiten vielleicht nicht der Hauptverursacher sind. Lassen Sie uns anschauen, was diese Instabilitäten verursacht und wie man einige einfache Berechnungen zur Stabilitätsanalyse von Verstärkern verwenden kann, um Ihre Verstärker besser zu verstehen.

Worauf man bei der Stabilitätsanalyse von Verstärkern achten sollte

Es gibt drei primäre Instabilitätseffekte, die in Verstärkerschaltungen auftreten:

• Clipping: Wenn zu hoch mit negativer Rückkopplung getrieben oder wenn positive Rückkopplung dominiert, kann der Verstärker sättigen und wird clippen. Dies ist auf das inhärente nichtlineare Verhalten und die Rückkopplung in allen Verstärkerschaltungen zurückzuführen.
• Ringing: Dies erscheint als eine unterdämpfte Schwingung, normalerweise wenn der Verstärker mit einem Stufenimpuls betrieben wird. Mit anderen Worten, dies ist eine transiente Antwort im Ausgangssignal, die dem entspricht, was in einem unterdämpften RLC-Kreis auftreten würde.
• Oszillationen: Dieser Effekt ist genau so, wie er klingt: Der Ausgang oszilliert mit einer bestimmten Frequenz. Dies kann beabsichtigt sein (z.B. in einem Multivibrator-Schaltkreis) oder unbeabsichtigt (wenn periodisch um einen Pol herum getrieben).

Das obige Diagramm zeigt Beispiele für Ringing und Clipping; beachten Sie, dass Ringing und Oszillationen insofern zusammenhängen, als dass Oszillationen ohne Dämpfung auftreten können. Lassen Sie uns jeden dieser Bereiche genauer betrachten, um zu sehen, was getan werden kann, um diese Probleme auf der Schaltungsebene und der Platine zu verhindern.
Ringing und Oszillationen

Klingeln und Schwingungen sind miteinander verwandt, da ersteres ein transienter Effekt und letzteres ein angetriebener Effekt ist, und beide werden durch Pole in der Schaltung bestimmt. Beide Effekte werden durch das Ansteuern einer kapazitiven Last und aufgrund einer gewissen Phasenverschiebung in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers verursacht. Alle integrierten Schaltkreise und diskreten Komponenten haben eine gewisse Eingangskapazität (eine parasitäre Shunt-Kapazität zur nächsten Masseebene). Dies erzeugt eine gewisse Phasenverzögerung in der Rückkopplungsschleife.

Im einfachsten Modell fügt die Lastkapazität einen einzelnen Pol zur offenen Schleifenverstärkung des Verstärkers hinzu (geht von einer unendlichen Last-Eingangsimpedanz und einer nicht nullen Ausgangsinduktivität des Verstärkers aus). Als Ergebnis ist die reale Schleifenverstärkung in einem Verstärker mit negativer Rückkopplung frequenzabhängig, folgt aber nicht mehr der einfachen Beziehung, die durch das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt gegeben ist. Dies wird unten gezeigt:

Die oben genannte Schaltung erzeugt eine Verstärkung mit einem nicht-invertierten Ausgang, aber dies kann mit -1 multipliziert werden, um einen invertierten Ausgang zu erhalten. In jedem Fall ist das Ziel, zu verhindern, dass die Eingänge am invertierenden und nicht-invertierenden Eingang perfekt gegenphasig sind, da sie dann additiv werden; achten Sie auf die Phasenrand-Spezifikation in Ihren Datenblättern. Hier werden die zwei Rückkopplungsimpedanzen sehr wichtig, da die oben genannte Gleichung verwendet werden kann, um die Phasenverschiebung in der Rückkopplungsschleife auf einen spezifischen Wert anzupassen. Einige Optionen zur Modifizierung der Rückkopplungsschleife, um ein Klingeln im Ausgang eines Verstärkers zu verhindern, umfassen:

• Das Hinzufügen eines Serienwiderstands am Ausgang, um die Dämpfung zu erhöhen (Kompensation außerhalb der Schleife)
• Das Hinzufügen eines Rückkopplungskondensators als parallele Rückkopplungsschleife, um die Phasenverschiebung der Rückkopplung zu modifizieren (Kompensation innerhalb der Schleife)
• Für Rail-to-Rail-Verstärker, die Oszillation mit einem seriellen RC-Kreis (Snubber-Netzwerk) zur Erde ableiten

Persistente Schwingungen können auch aufgrund unbeabsichtigter Rückkopplung zum nicht-invertierenden Eingang bei ausreichend hohen Verstärkungswerten, Eingangssignalpegeln/-frequenzen und Niveaus der kapazitiven Kopplung auftreten. Ob Schwingungen als Klingeln oder kontinuierliche Schwingungen erscheinen, hängt die genaue Lösung, die benötigt wird, um Ihren Verstärker zu kompensieren, von der Konstruktion des Verstärkers, der Ausgangsimpedanz und der linearen Übertragungsfunktion ab. Stellen Sie sicher, dass Sie das richtige Verstärkerkomponentenmodell in Ihren Schaltplänen verwenden, wenn Sie SPICE-Simulationen für Ihre Schaltungen durchführen.

Clipping

Clipping ist im Allgemeinen unerwünscht, es sei denn, Sie bauen etwas wie einen Komparator, der tatsächlich positive Rückkopplung und Hysterese nutzt, um einen gesättigten Ausgang zu erzeugen. Beim Clipping gibt es nichts, was Sie auf Schaltungsebene tun können, es sei denn, Sie entwerfen einen Mehrkettenverstärker für Ihre Signalkette. In diesem Fall stellen Sie sicher, dass nachfolgende Stufen sich nicht gegenseitig sättigen; dies ist ein komplizierteres Thema, das seinen eigenen technischen Artikel verdient. Die andere Option ist, die Schienenspannung zu erhöhen und Ihre verfügbare Leistung an der Versorgung zu erhöhen, wenn Sie wirklich solch hohe Ausgangsspannungen erreichen müssen.

Im Extremfall, bei dem eine starke unbeabsichtigte Kopplung zwischen dem Ausgang und den Eingängen besteht, kann es zu einigen Clipping-Erscheinungen kommen. Dies kann bei sehr hohen Eingangsleistungen auftreten, z.B. in einem HF-Leistungsverstärker, und bei sehr hohen Frequenzen (z.B. mmWave-Verstärkern). Wie im früheren Artikel über die Stabilität von Verstärkern detailliert beschrieben, besteht die Lösung darin, den Verstärker auf der Leiterplatte so zu platzieren, dass die parasitäre Kopplung reduziert wird. Ich werde in einem zukünftigen Artikel näher auf dieses Thema eingehen, da es ein umfassendes Thema ist.

K-Faktor aus S-Parametern

Es gibt einen Faktor, den viele Anwendungshinweise zur Analyse der Verstärkerstabilität nicht erwähnen: den K-Faktor, der ursprünglich in John Rolletts IEEE-Artikel von 1962 mit dem Titel Stabilität und Leistungsgewinn-Invarianten von linearen Zweitor-Netzwerken formuliert wurde. Wenn Sie die S-Parameter für Ihren Verstärkerschaltkreis im linearen Bereich berechnen können, können Sie die folgende K-Faktor-Definition verwenden, um sofort zu sehen, ob der Verstärker stabil sein wird:

Kurz gesagt, der Verstärker wird bedingungslos stabil sein, wenn K > 1. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, könnte man einen instabilen Verstärker haben, und man sollte weitere Simulationen durchführen, um zu bestimmen, ob das Verstärkerdesign wirklich instabil ist und in welchen Situationen Instabilität auftritt. Wie in vielen Fällen beim Schaltungsentwurf und PCB-Layout kann ein System instabil sein, aber die Instabilität kann so gering sein, dass sie unbemerkt bleibt und nie in die Systemoperation eingreift. In anderen Fällen müssen Sie, wie oben beschrieben, die kapazitive Belastung sorgfältig kompensieren, um sicherzustellen, dass Ihr Design stabil ist.

Wenn Sie eine Verstärkerstufe für eine analoge Platine entwerfen und Simulationen für die Stabilitätsanalyse des Verstärkers verwenden müssen, können Ihnen die Schaltungsdesign- und Layout-Tools in Altium Designer® helfen, Ihr Design zu optimieren, um Oszillationen zu verhindern. Sie können Simulationsmodelle für reale Komponenten importieren, in Ihrer Bohrtabelle und Fertigungsdokumenten definieren und alle anderen Lieferdokumente für die Herstellung vorbereiten.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Ihr Projekt teilen möchten, erleichtert die Altium 365™-Plattform die Zusammenarbeit mit anderen Designern. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare überprüfen.