振動、クリッピング、およびアンプの安定性分析におけるリンギング

オペアンプは多くのデジタル設計者にとって増幅器の知識の基礎を形成しており、電子工学の授業でそれ以降に学ぶことはあまりないかもしれません。私の友人は一度冗談で、「資格試験に合格するためには、RFとアナログ回路を学ぶだけでよかった」と言っていました。これは理解できることです。誰かが通信業界やテスト機器の開発に携わっていない限り、彼らはおそらく低周波のアナログやデジタルシステムで主に作業しており、高周波の増幅器回路にはあまり必要がなかったでしょう。現在では、より多くのシステムが高周波でアナログ回路をデジタルと並行して統合しています（例えば、IIoT製品上のワイヤレス）、これによりオンボード増幅のニーズが生まれています。

増幅器に関してコンポーネントのデータシートで時々不十分に議論される側面の一つは、増幅器の出力からの不安定性の可能性です。私は以前の記事で寄生容量からの意図しないフィードバックによるRF増幅器の不安定性の可能性について議論しましたが、寄生要素が主な原因ではない低周波でも不安定性が発生することがあります。これらの不安定性が何を引き起こすのか、そしていくつかのシンプルな増幅器安定性分析計算を使用して増幅器をよりよく理解する方法を見てみましょう。

増幅器安定性分析で注意すべきこと

増幅器回路で発生する主な不安定性効果には3つあります：

• クリッピング：負のフィードバックで過度に駆動された場合、または正のフィードバックが支配的になった場合、アンプは飽和し、クリップすることがあります。これは、すべてのアンプ回路に固有の非線形動作とフィードバックによるものです。
• リンギング：これは、アンプがステップ入力で駆動されたときに通常見られる過小減衰振動として現れます。言い換えると、これは過小減衰RLC回路で発生するであろう一時的な応答と出力信号が一致することです。
• 振動：この効果は、その名の通りです：出力がある特定の周波数で振動します。これは意図的なもの（例えば、マルチバイブレータ回路内）であるか、または意図しないもの（極の周りで周期的に駆動された場合）であるかもしれません。

上記のグラフはリンギングとクリッピングの例を示しています。リンギングと振動は、減衰なしに振動が発生する可能性があるという点で関連していることに注意してください。これらの問題を回路図レベルおよびボードレベルで防ぐために、それぞれの領域をより深く見てみましょう。
リンギングと振動

リンギングと振動は、前者が一過性の効果であり、後者が駆動効果である点で関連しており、どちらも回路内の極によって決定されます。これらの効果は、容量性負荷を駆動することと、アンプのフィードバックループ内のある位相シフトによって引き起こされます。すべての集積回路および個別のコンポーネントには、ある程度の入力容量（最も近いグラウンドプレーンへの寄生シャント容量）があります。これにより、フィードバックループ内にある程度の位相遅れが生じます。

最も単純なモデルでは、負荷容量はアンプのオープンループゲインに単一の極を追加します（無限の負荷入力インピーダンスと非ゼロのアンプ出力インダクタンスを仮定）。その結果、負のフィードバックアンプにおける実際のループゲインは周波数依存となりますが、もはやゲイン帯域幅積によって与えられる単純な関係には従いません。これは以下に示されています：

上記の回路は非反転出力で増幅を行いますが、これを-1倍することで反転出力にすることができます。いずれの場合も、目標は反転入力と非反転入力が完全に位相が逆にならないようにすることです。なぜなら、それらが加算されることになるからです。データシートの位相余裕仕様に注意してください。ここで、2つのフィードバックインピーダンスが非常に重要になります。上記の方程式を使用して、フィードバックループ内の位相シフトを特定の値に調整することができます。アンプの出力にリンギングを防ぐためにフィードバックループを変更するオプションには、次のようなものがあります：

• 出力に直列抵抗を追加して減衰を増やす（ループ外補償）
• フィードバック位相シフトを変更するために、フィードバックキャパシタを並列フィードバックループとして追加する（ループ内補償）
• レール・トゥ・レールアンプの場合、直列RC回路（スナバネットワーク）を使って振動をグラウンドにシャントする

持続的な振動は、十分に高い利得値、入力信号のレベル/周波数、および容量性結合のレベルにより、非反転入力に意図せず結合が戻ることによっても現れることがあります。振動がリンギングとして現れるか、連続振動として現れるかにかかわらず、アンプを補償するために必要な正確な解決策は、アンプの構造、出力インピーダンス、および線形伝達関数に依存します。回路のSPICEシミュレーションを実行するときには、回路図で正しいアンプコンポーネントモデルを使用してください。

クリッピング

クリッピングは、コンパレータのようなものを構築している場合を除き、一般的に望ましくありません。コンパレータは、正のフィードバックとヒステリシスを利用して飽和出力を作り出します。クリッピングに関しては、信号チェーン用のマルチチェーンアンプを設計している場合を除き、回路レベルでできることは何もありません。その場合、連続するステージが互いに飽和していないことを確認してください。これは、独自の技術記事に値するより複雑なトピックです。もう一つの選択肢は、レール電圧を上げて、本当にそのような高出力電圧に到達する必要がある場合に供給で利用可能な電力を増やすことです。

極端なケースでは、出力と入力間に強い意図しない結合がある場合、クリッピングが発生することがあります。これは、非常に高い入力パワーで発生する可能性があります。例えば、RFパワーアンプライファーで、非常に高い周波数（例えば、mmWaveアンプライファー）で起こります。以前の記事でアンプの安定性について詳しく説明したように、解決策はPCB上でアンプを適切にレイアウトして、寄生結合を減らすことです。これは深いトピックなので、将来の記事でさらに詳しく説明します。

SパラメータからのK因子

アンプの安定性分析に関する多くのアプリケーションノートが言及していない1つの要因があります：K因子です。これは、John Rollettが1962年にIEEEで発表した線形二端子網の安定性と電力増幅不変量という論文で初めて定式化されました。線形領域でアンプ回路のSパラメータを計算できる場合、以下のK因子の定義を使用して、アンプが安定するかどうかを即座に確認できます：

要するに、K > 1 の場合、アンプは無条件に安定します。この条件が満たされない場合、アンプが不安定になる可能性があり、アンプ設計が本当に不安定で、どのような状況で不安定になるかを判断するために、さらにシミュレーションを行う必要があります。回路設計やPCBレイアウトの多くのケースと同様に、システムが不安定であっても、その不安定性が非常に小さく、システムの操作に干渉しないため、気付かれないことがあります。他の場合では、上記のように慎重に容量性負荷を補償して、設計が安定していることを確認する必要があります。

アナログボードの増幅ステージを設計しており、アンプの安定性分析のためにシミュレーションを使用する必要がある場合、Altium Designer®の回路設計およびレイアウトツールを使用すると、発振を防ぐために設計を最適化するのに役立ちます。実際のコンポーネントのシミュレーションモデルをインポートし、ドリルテーブルや製造文書で定義し、製造のためのその他のすべての納品物を準備することができます。

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