Oscilaciones, Recorte y Sonido en el Análisis de Estabilidad de Amplificadores

Los amplificadores operacionales probablemente forman la base del conocimiento sobre amplificadores para muchos diseñadores digitales, y puede que no haya mucho más que eso en las clases de electrónica. Un amigo mío una vez bromeó, "solo necesitabas aprender sobre RF y circuitos analógicos para pasar tus exámenes de calificación". Esto es comprensible; a menos que alguien haya trabajado en telecomunicaciones o desarrollando instrumentos de prueba, probablemente trabajaron principalmente en analógico de baja frecuencia o en sistemas digitales y no tuvieron mucha necesidad de circuitos amplificadores de alta frecuencia. Hoy en día, más sistemas están integrando circuitos analógicos junto con digitales a altas frecuencias (por ejemplo, inalámbricos en productos IIoT), creando una necesidad de amplificación a bordo.

Un aspecto de los amplificadores que a veces se discute poco en las hojas de datos de los componentes es la posibilidad de inestabilidad en la salida de un amplificador. Discutí la posibilidad de inestabilidad en amplificadores de RF en un artículo anterior debido a retroalimentación no deseada por la capacitancia parásita, pero las inestabilidades también pueden ocurrir a frecuencias más bajas donde los parásitos pueden no ser el principal culpable. Veamos qué causa estas inestabilidades y cómo usar algunos cálculos simples de análisis de estabilidad de amplificadores para entender mejor tus amplificadores.

Qué Observar en el Análisis de Estabilidad de Amplificadores

Hay tres efectos de inestabilidad primarios que ocurren en los circuitos de amplificadores:

• Recorte: Cuando se impulsa demasiado alto con retroalimentación negativa, o cuando domina la retroalimentación positiva, el amplificador puede saturarse y recortar. Esto se debe al comportamiento no lineal inherente y la retroalimentación en todos los circuitos de amplificador.
• Resonancia: Esto aparece como una oscilación subamortiguada, normalmente cuando el amplificador se impulsa con una entrada escalonada. En otras palabras, esta es una respuesta transitoria en la señal de salida que coincidiría con lo que ocurriría en un circuito RLC subamortiguado.
• Oscilaciones: Este efecto es exactamente como suena: la salida oscila con alguna frecuencia definida. Esto puede ser intencional (por ejemplo, en un circuito multivibrador) o no intencional (cuando se impulsa periódicamente alrededor de un polo).

El gráfico anterior muestra ejemplos de resonancia y recorte; note que la resonancia y las oscilaciones están relacionadas en el sentido de que las oscilaciones pueden ocurrir sin amortiguación. Veamos cada una de estas áreas con mayor profundidad para ver qué se puede hacer para prevenir estos problemas a nivel de esquemático y de placa.
Resonancia y Oscilaciones

Las oscilaciones y el sonido de campana están relacionados en el sentido de que el primero es un efecto transitorio y el segundo es un efecto impulsado, y ambos están determinados por los polos en el circuito. Ambos efectos son causados por conducir una carga capacitiva y debido a algún desfase de fase en el bucle de retroalimentación del amplificador. Todos los circuitos integrados y componentes discretos tienen alguna capacitancia de entrada (una capacitancia de derivación parasitaria hacia el plano de tierra más cercano). Esto crea cierto retraso de fase en el bucle de retroalimentación.

En el modelo más simple, la capacitancia de carga añade un único polo a la ganancia de bucle abierto del amplificador (asume una impedancia de entrada de carga infinita e inductancia de salida del amplificador no nula). Como resultado, la ganancia de bucle real en un amplificador de retroalimentación negativa es dependiente de la frecuencia, pero ya no sigue la relación simple dada por el producto ganancia-ancho de banda. Esto se muestra a continuación:

El circuito anterior produce ganancia con una salida no invertida, pero esto puede multiplicarse por -1 para obtener una salida invertida. En cualquier caso, el objetivo es evitar que las entradas en las entradas inversora y no inversora estén perfectamente fuera de fase, ya que entonces se volverán aditivas; presta atención a la especificación del margen de fase en tus hojas de datos. Aquí es donde las dos impedancias de retroalimentación se vuelven muy importantes ya que la ecuación anterior puede usarse para adaptar el desplazamiento de fase en el bucle de retroalimentación a un valor específico. Algunas opciones para modificar el bucle de retroalimentación para prevenir el sonido de campana en la salida de un amplificador incluyen:

• Agregar una resistencia en serie en la salida para aumentar el amortiguamiento (compensación fuera del bucle)
• Agregar un capacitor de retroalimentación como un bucle de retroalimentación paralelo para modificar el desplazamiento de fase de la retroalimentación (compensación dentro del bucle)
• Para amplificadores de riel a riel, desviar la oscilación a tierra con un circuito RC en serie (red de amortiguación)

Las oscilaciones persistentes también pueden aparecer debido al acoplamiento no intencionado de vuelta a la entrada no inversora para valores de ganancia suficientemente altos, niveles/frecuencias de señal de entrada y niveles de acoplamiento capacitivo. Ya sea que las oscilaciones aparezcan como resonancias o como oscilaciones continuas, la solución exacta necesaria para compensar tu amplificador depende de la construcción del amplificador, la impedancia de salida y la función de transferencia lineal. Asegúrate de usar el modelo de componente de amplificador correcto en tus esquemáticos cuando realices simulaciones SPICE para tus circuitos.

Recorte

El recorte generalmente es indeseable a menos que estés construyendo algo como un comparador, que en realidad explota la retroalimentación positiva y la histéresis para crear una salida saturada. Para el recorte, no hay nada que puedas hacer a nivel de circuito a menos que estés diseñando un amplificador de múltiples etapas para tu cadena de señal. En ese caso, asegúrate de que las etapas sucesivas no se estén saturando entre sí; este es un tema más complicado que merece su propio artículo técnico. La otra opción es aumentar el voltaje de alimentación y aumentar tu potencia disponible en la fuente si realmente necesitas alcanzar voltajes de salida tan altos.

En el caso extremo, donde existe un acoplamiento no intencionado fuerte entre la salida y las entradas, puede haber cierto recorte. Esto puede ocurrir a potencias de entrada muy altas, por ejemplo, en un amplificador de potencia RF, y a frecuencias muy altas (por ejemplo, amplificadores de onda milimétrica). Como se detalló en el artículo anterior sobre la estabilidad del amplificador, la solución es disponer adecuadamente el amplificador en el PCB de modo que se reduzca el acoplamiento parásito. Discutiré más sobre esto en un futuro artículo ya que es un tema profundo.

Factor K a partir de los parámetros S

Hay un factor que muchas notas de aplicación sobre el análisis de estabilidad del amplificador no mencionan: el factor K, originalmente formulado en el artículo de John Rollett de 1962 para el IEEE titulado Estabilidad e Invariantes de Ganancia de Potencia de Dos Puertos Lineales. Si puedes calcular los parámetros S para tu circuito de amplificador en el régimen lineal, puedes usar la siguiente definición del factor K para ver inmediatamente si el amplificador será estable:

En resumen, el amplificador será incondicionalmente estable cuando K > 1. Si esta condición no se cumple, entonces podrías tener un amplificador inestable, y deberías realizar más simulaciones para determinar si tu diseño de amplificador es realmente inestable y en qué situaciones surge la inestabilidad. Como en muchos casos en el diseño de circuitos y el diseño de PCBs, un sistema puede ser inestable, pero la inestabilidad puede ser tan menor que pasa desapercibida y nunca interfiere con la operación del sistema. En otros casos, necesitarás compensar cuidadosamente la carga capacitiva como se describió anteriormente para asegurar que tu diseño sea estable.

Si estás diseñando una etapa de amplificación para una placa analógica y necesitas usar simulaciones para el análisis de estabilidad del amplificador, las herramientas de diseño de circuitos y diseño de PCB en Altium Designer® pueden ayudarte a optimizar tu diseño para prevenir oscilaciones. Puedes importar modelos de simulación para componentes reales, definir en tu tabla de perforación y documentos de fabricación, y preparar todos los demás entregables para la fabricación.

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