Oscillazioni, Clipping e Ringing nell'Analisi della Stabilità degli Amplificatori

Gli op amp probabilmente costituiscono la base della conoscenza degli amplificatori per molti progettisti digitali, e potrebbe non esserci molto altro dopo questo nelle classi di elettronica. Un mio amico una volta ha scherzato, "dovevi solo imparare i circuiti RF e analogici per superare gli esami di qualifica." Questo è comprensibile; a meno che qualcuno non abbia lavorato in telecomunicazioni o sviluppando strumenti di test, probabilmente ha lavorato principalmente su analogico a bassa frequenza o in sistemi digitali e non ha avuto molto bisogno di circuiti amplificatori ad alta frequenza. Oggi, più sistemi stanno integrando circuiti analogici insieme a quelli digitali ad alte frequenze (ad esempio, wireless sui prodotti IIoT), creando la necessità di amplificazione on-board.

Un aspetto degli amplificatori che a volte è discusso in modo insufficiente nei datasheet dei componenti è la possibilità di instabilità nell'uscita da un amplificatore. Ho discusso la possibilità di instabilità degli amplificatori RF in un articolo precedente a causa di feedback non intenzionale dalla capacità parassita, ma le instabilità possono verificarsi anche a frequenze più basse dove i parassiti potrebbero non essere il principale colpevole. Vediamo quali sono le cause di queste instabilità e come utilizzare alcuni semplici calcoli di analisi della stabilità degli amplificatori per comprendere meglio i tuoi amplificatori.

Cosa monitorare nell'analisi della stabilità degli amplificatori

Ci sono tre principali effetti di instabilità che si verificano nei circuiti degli amplificatori:

• Clipping: Quando viene pilotato troppo in alto con feedback negativo, o quando il feedback positivo domina, l'amplificatore può saturare e ciò porterà al clipping. Questo è dovuto al comportamento non lineare intrinseco e al feedback in tutti i circuiti di amplificazione.
• Ringing: Questo appare come un'oscillazione smorzata insufficientemente, normalmente quando l'amplificatore è pilotato con un ingresso a gradino. In altre parole, questa è una risposta transitoria nel segnale di uscita che corrisponde a ciò che si verificherebbe in un circuito RLC sottosmorzato.
• Oscillazioni: Questo effetto è esattamente come suona: l'uscita oscilla con una certa frequenza definita. Questo può essere intenzionale (ad esempio, in un circuito multivibratore) o non intenzionale (quando viene pilotato periodicamente attorno a un polo).

Il grafico sopra mostra esempi di ringing e clipping; nota che il ringing e le oscillazioni sono correlati in quanto le oscillazioni possono verificarsi senza smorzamento. Esaminiamo ciascuna di queste aree più approfonditamente per vedere cosa si può fare per prevenire questi problemi a livello di schema e a livello di scheda.
Ringing e Oscillazioni

Le oscillazioni e il ronzio sono correlati in quanto il primo è un effetto transitorio e il secondo è un effetto guidato, e entrambi sono determinati dai poli nel circuito. Entrambi questi effetti sono causati dalla guida di un carico capacitivo e da un certo sfasamento di fase nel ciclo di feedback dell'amplificatore. Tutti i circuiti integrati e i componenti discreti hanno una certa capacitanza di ingresso (una capacitanza shunt parassita verso il piano di massa più vicino). Questo crea un certo ritardo di fase nel ciclo di feedback.

Nel modello più semplice, la capacitanza del carico aggiunge un singolo polo al guadagno in anello aperto dell'amplificatore (si assume un'impedenza di ingresso del carico infinita e un'induttanza di uscita dell'amplificatore non nulla). Di conseguenza, il vero guadagno in anello in un amplificatore a feedback negativo è dipendente dalla frequenza, ma non segue più la semplice relazione data dal prodotto guadagno-banda. Questo è mostrato di seguito:

Il circuito sopra produce un guadagno con un'uscita non invertita, ma questo può essere moltiplicato per -1 per ottenere un'uscita invertita. In entrambi i casi, l'obiettivo è evitare che gli ingressi agli ingressi invertente e non invertente siano perfettamente in controfase, poiché in tal caso diventerebbero additivi; prestare attenzione alla specifica del margine di fase nei vostri datasheet. Qui diventano molto importanti le due impedenze di feedback poiché l'equazione sopra può essere utilizzata per adattare lo sfasamento di fase nel loop di feedback a un valore specifico. Alcune opzioni per modificare il loop di feedback per prevenire il ronzio nell'uscita di un amplificatore includono:

• Aggiungere una resistenza in serie all'uscita per aumentare lo smorzamento (compensazione fuori dal loop)
• Aggiungere un condensatore di feedback come loop di feedback parallelo per modificare lo sfasamento di fase del feedback (compensazione nel loop)
• Per gli amplificatori rail-to-rail, cortocircuitare l'oscillazione a terra con un circuito RC in serie (rete snubber)

Le oscillazioni persistenti possono anche apparire a causa di un accoppiamento non intenzionale di ritorno all'ingresso non invertente per valori di guadagno sufficientemente alti, livelli/frequenze del segnale di ingresso e livelli di accoppiamento capacitivo. Che le oscillazioni si presentino come suonerie o oscillazioni continue, la soluzione esatta necessaria per compensare il tuo amplificatore dipende dalla costruzione dell'amplificatore, dall'impedenza di uscita e dalla funzione di trasferimento lineare. Assicurati di utilizzare il modello di componente amplificatore giusto nei tuoi schemi quando esegui simulazioni SPICE per i tuoi circuiti.

Clipping

Il clipping è generalmente indesiderato a meno che non si stia costruendo qualcosa come un comparatore, che in realtà sfrutta il feedback positivo e l'isteresi per creare un'uscita saturata. Per il clipping, non c'è nulla che tu possa fare a livello di circuito a meno che non stia progettando un amplificatore a catena multipla per la tua catena di segnale. In tal caso, assicurati che le fasi successive non si stiano saturando a vicenda; questo è un argomento più complicato che merita un proprio articolo tecnico. L'altra opzione è aumentare la tensione di alimentazione e incrementare la potenza disponibile all'alimentazione se hai davvero bisogno di raggiungere tali alte tensioni di uscita.

Nel caso estremo, in cui vi sia un forte accoppiamento involontario tra l'uscita e gli ingressi, può verificarsi del clipping. Questo può accadere a potenze di ingresso molto elevate, ad esempio, in un amplificatore di potenza RF, e a frequenze molto elevate (ad es., amplificatori mmWave). Come dettagliato nell'articolo precedente sulla stabilità degli amplificatori, la soluzione consiste nel disporre correttamente l'amplificatore sul PCB in modo che l'accoppiamento parassitico sia ridotto. Discuterò di questo argomento più approfonditamente in un futuro articolo poiché è un tema complesso.

K-factor dai parametri S

C'è un fattore che molte note applicative sull'analisi della stabilità degli amplificatori non menzionano: il fattore K, originariamente formulato nel documento IEEE del 1962 di John Rollett intitolato Stabilità e invarianti di guadagno di potenza dei biposti lineari. Se puoi calcolare i parametri S per il tuo circuito amplificatore nel regime lineare, puoi utilizzare la seguente definizione del fattore K per vedere immediatamente se l'amplificatore sarà stabile:

In breve, l'amplificatore sarà incondizionatamente stabile quando K > 1. Se questa condizione non è soddisfatta, allora potresti avere un amplificatore instabile, e dovresti fare ulteriori simulazioni per determinare se il tuo progetto di amplificatore è realmente instabile e in quali situazioni si verifica l'instabilità. Come in molti casi nella progettazione di circuiti e layout di PCB, un sistema può essere instabile, ma l'instabilità può essere così minore che passa inosservata e non interferisce mai con il funzionamento del sistema. In altri casi, dovrai compensare attentamente il carico capacitivo come descritto sopra per assicurarti che il tuo progetto sia stabile.

Se stai progettando uno stadio di amplificazione per una scheda analogica e hai bisogno di utilizzare simulazioni per l'analisi della stabilità dell'amplificatore, gli strumenti di progettazione di circuiti e layout in Altium Designer possono aiutarti a ottimizzare il tuo progetto per prevenire oscillazioni. Puoi importare modelli di simulazione per componenti reali, definire nella tua tabella di trapanatura e nei documenti di fabbricazione, e preparare tutti gli altri documenti necessari per la produzione.

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