Oscillations, Clipping et Ringing dans l'analyse de la stabilité des amplificateurs

Les amplificateurs opérationnels forment probablement la base des connaissances en amplification pour de nombreux concepteurs numériques, et il se peut qu'il n'y ait pas grand-chose qui vienne après cela dans les cours d'électronique. Un ami m'a un jour plaisanté en disant : « il suffisait d'apprendre les circuits RF et analogiques pour passer vos examens de qualification. » Cela est compréhensible ; à moins que quelqu'un n'ait travaillé dans les télécoms ou le développement d'instruments de test, il a probablement travaillé principalement sur de l'analogique basse fréquence ou dans des systèmes numériques et n'avait pas vraiment besoin de circuits d'amplification haute fréquence. De nos jours, davantage de systèmes intègrent des circuits analogiques aux côtés du numérique à haute fréquence (par exemple, le sans-fil sur les produits IIoT), créant un besoin d'amplification embarquée.

Un aspect des amplificateurs qui est parfois mal discuté dans les fiches techniques des composants est la possibilité d'instabilité en sortie d'un amplificateur. J'ai discuté de la possibilité d'instabilité des amplificateurs RF dans un article précédent en raison de retours non intentionnels dus à la capacité parasite, mais les instabilités peuvent également se produire à des fréquences plus basses où les parasites ne sont pas forcément le principal coupable. Examinons ce qui cause ces instabilités et comment utiliser quelques calculs simples d'analyse de stabilité des amplificateurs pour mieux comprendre vos amplificateurs.

À surveiller dans l'analyse de stabilité des amplificateurs

Il y a trois effets principaux d'instabilité qui se produisent dans les circuits d'amplificateurs :

• Écrêtage : Lorsqu'il est trop sollicité avec une rétroaction négative, ou lorsque la rétroaction positive domine, l'amplificateur peut saturer et écrêter. Cela est dû au comportement non linéaire inhérent et à la rétroaction dans tous les circuits d'amplificateurs.
• Sonnerie : Cela apparaît comme une oscillation sous-amortie, normalement lorsque l'amplificateur est sollicité avec une entrée en échelon. En d'autres termes, c'est une réponse transitoire dans le signal de sortie correspondant à ce qui se produirait dans un circuit RLC sous-amorti.
• Oscillations : Cet effet est exactement comme il semble : la sortie oscille avec une certaine fréquence définie. Cela peut être intentionnel (par exemple, dans un circuit multivibrateur) ou non intentionnel (lorsqu'il est périodiquement sollicité autour d'un pôle).

Le graphique ci-dessus montre des exemples de sonnerie et d'écrêtage ; notez que la sonnerie et les oscillations sont liées en ce sens que des oscillations peuvent survenir sans amortissement. Examinons chacun de ces domaines plus en profondeur pour voir ce qui peut être fait pour prévenir ces problèmes au niveau du schéma et du circuit imprimé.
Sonnerie et Oscillations

Les oscillations et les résonances sont liées en ce sens que la première est un effet transitoire et la seconde un effet entraîné, et les deux sont déterminées par les pôles dans le circuit. Ces deux effets sont causés par la sollicitation d'une charge capacitive et en raison d'un certain déphasage dans la boucle de rétroaction de l'amplificateur. Tous les circuits intégrés et composants discrets possèdent une certaine capacité d'entrée (une capacité de shunt parasite vers le plan de masse le plus proche). Cela crée un certain retard de phase dans la boucle de rétroaction.

Dans le modèle le plus simple, la capacité de charge ajoute un seul pôle au gain en boucle ouverte de l'amplificateur (en supposant une impédance d'entrée de charge infinie et une inductance de sortie de l'amplificateur non nulle). En conséquence, le véritable gain en boucle dans un amplificateur à rétroaction négative dépend de la fréquence, mais ne suit plus la relation simple donnée par le produit gain-bande passante. Ceci est illustré ci-dessous :

Le circuit ci-dessus produit un gain avec une sortie non inversée, mais cela peut être multiplié par -1 pour obtenir une sortie inversée. Dans les deux cas, l'objectif est d'empêcher les entrées aux entrées inverseuse et non-inverseuse d'être parfaitement en opposition de phase, car elles deviendraient alors additives ; faites attention à la spécification de marge de phase dans vos fiches techniques. C'est là que les deux impédances de rétroaction deviennent très importantes car l'équation ci-dessus peut être utilisée pour adapter le déphasage dans la boucle de rétroaction à une valeur spécifique. Certaines options pour modifier la boucle de rétroaction afin d'éviter le bruit dans la sortie d'un amplificateur incluent :

• Ajouter une résistance en série sur la sortie pour augmenter l'amortissement (compensation hors boucle)
• Ajouter un condensateur de rétroaction comme une boucle de rétroaction parallèle pour modifier le déphasage de la rétroaction (compensation dans la boucle)
• Pour les amplificateurs rail-to-rail, court-circuiter l'oscillation à la terre avec un circuit RC en série (réseau d'amortissement)

Des oscillations persistantes peuvent également apparaître en raison d'un couplage non intentionnel vers l'entrée non-inverseuse pour des valeurs de gain suffisamment élevées, des niveaux/fréquences de signal d'entrée, et des niveaux de couplage capacitif. Que les oscillations se manifestent sous forme de sonnerie ou d'oscillations continues, la solution exacte nécessaire pour compenser votre amplificateur dépend de la construction de l'amplificateur, de son impédance de sortie et de sa fonction de transfert linéaire. Assurez-vous d'utiliser le bon modèle de composant d'amplificateur dans vos schémas lorsque vous exécutez des simulations SPICE pour vos circuits.

Écrêtage

L'écrêtage est généralement indésirable à moins que vous ne construisiez quelque chose comme un comparateur, qui exploite en fait la rétroaction positive et l'hystérésis pour créer une sortie saturée. Pour l'écrêtage, il n'y a rien que vous puissiez faire au niveau du circuit à moins que vous ne conceviez un amplificateur à chaînes multiples pour votre chaîne de signal. Dans ce cas, assurez-vous que les étapes successives ne se saturent pas mutuellement ; c'est un sujet plus compliqué qui mérite son propre article technique. L'autre option est d'augmenter la tension de rail et d'augmenter votre puissance disponible à l'alimentation si vous avez vraiment besoin d'atteindre de telles tensions de sortie élevées.

Dans le cas extrême, où il existe un couplage non intentionnel fort entre la sortie et les entrées, il peut y avoir une certaine saturation. Cela peut se produire à des puissances d'entrée très élevées, par exemple, dans un amplificateur de puissance RF, et à des fréquences très élevées (par exemple, amplificateurs mmWave). Comme cela a été détaillé dans l'article précédent sur la stabilité des amplificateurs, la solution consiste à disposer correctement l'amplificateur sur le PCB afin que le couplage parasite soit réduit. Je discuterai plus en détail de ce sujet dans un futur article car c'est un sujet approfondi.

Le facteur K à partir des paramètres S

Il y a un facteur que de nombreuses notes d'application sur l'analyse de la stabilité des amplificateurs ne mentionnent pas : le facteur K, formulé à l'origine dans le document IEEE de 1962 de John Rollett intitulé Stabilité et invariants de gain de puissance des bipôles linéaires. Si vous pouvez calculer les paramètres S pour votre circuit d'amplificateur dans le régime linéaire, vous pouvez utiliser la définition suivante du facteur K pour voir immédiatement si l'amplificateur sera stable :

En résumé, l'amplificateur sera inconditionnellement stable lorsque K > 1. Si cette condition n'est pas satisfaite, alors vous pourriez avoir un amplificateur instable, et vous devriez réaliser davantage de simulations pour déterminer si votre conception d'amplificateur est réellement instable et dans quelles situations l'instabilité survient. Comme dans de nombreux cas en conception de circuits et d'agencement de PCB, un système peut être instable, mais l'instabilité peut être si mineure qu'elle passe inaperçue et n'interfère jamais avec le fonctionnement du système. Dans d'autres cas, vous devrez compenser soigneusement la charge capacitive comme décrit ci-dessus pour garantir la stabilité de votre conception.

Si vous concevez un étage d'amplification pour une carte analogique et que vous avez besoin d'utiliser des simulations pour l'analyse de stabilité de l'amplificateur, les outils de conception de circuits et d'agencement dans Altium Designer® peuvent vous aider à optimiser votre conception pour prévenir les oscillations. Vous pouvez importer des modèles de simulation pour de vrais composants, définir dans votre tableau de perçage et documents de fabrication, et préparer tous les autres livrables pour la fabrication.

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