Oscylacje, Obcinanie i Dzwonienie w Analizie Stabilności Wzmacniaczy

Wzmacniacze operacyjne prawdopodobnie stanowią podstawę wiedzy o wzmacniaczach dla wielu projektantów cyfrowych i może nie być wiele więcej po tym na zajęciach z elektroniki. Mój przyjaciel kiedyś żartował, że „musiałeś nauczyć się tylko RF i obwodów analogowych, aby zdać egzaminy kwalifikacyjne”. Jest to zrozumiałe; chyba że ktoś pracował w telekomunikacji lub rozwijał przyrządy pomiarowe, prawdopodobnie pracował głównie nad analogowymi systemami niskiej częstotliwości lub w systemach cyfrowych i nie miał dużego zapotrzebowania na wysokoczęstotliwościowe obwody wzmacniaczy. Obecnie więcej systemów integruje obwody analogowe wraz z cyfrowymi na wysokich częstotliwościach (np. bezprzewodowe w produktach IIoT), tworząc potrzebę wbudowanego wzmacniania.

Jednym z aspektów wzmacniaczy, który czasami jest słabo omawiany w kartach katalogowych komponentów, jest możliwość niestabilności na wyjściu z wzmacniacza. Omawiałem możliwość niestabilności wzmacniaczy RF w wcześniejszym artykule z powodu niezamierzonego sprzężenia zwrotnego z pojemności pasożytniczej, ale niestabilności mogą również występować na niższych częstotliwościach, gdzie pasożyty mogą nie być głównym winowajcą. Spójrzmy, co powoduje te niestabilności i jak użyć kilku prostych obliczeń analizy stabilności wzmacniacza, aby lepiej zrozumieć twoje wzmacniacze.

Na co zwrócić uwagę w analizie stabilności wzmacniacza

Istnieją trzy główne efekty niestabilności, które występują w obwodach wzmacniaczy:

• Obcinanie: Gdy jest zbyt mocno napędzane przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym, lub gdy dominuje sprzężenie dodatnie, wzmacniacz może się nasycić i dochodzi do obcinania. Wynika to z nieodłącznego nieliniowego zachowania i sprzężenia we wszystkich obwodach wzmacniaczy.
• Dzwonienie: Pojawia się jako niedotłumiona oscylacja, zwykle gdy wzmacniacz jest napędzany sygnałem skokowym. Innymi słowy, jest to przejściowa odpowiedź w sygnale wyjściowym odpowiadająca temu, co wystąpiłoby w niedotłumionym obwodzie RLC.
• Oscylacje: Efekt ten jest dokładnie taki, jak brzmi: wyjście oscyluje z pewną określoną częstotliwością. Może to być zamierzone (np. w obwodzie multivibratora) lub niezamierzone (gdy jest napędzane okresowo wokół bieguna).

Powyższy wykres pokazuje przykłady dzwonienia i obcinania; zauważ, że dzwonienie i oscylacje są ze sobą powiązane, ponieważ oscylacje mogą wystąpić bez tłumienia. Przyjrzyjmy się każdemu z tych obszarów bardziej szczegółowo, aby zobaczyć, co można zrobić, aby zapobiec tym problemom na poziomie schematu i płytki.
Dzwonienie i Oscylacje

Dzwonienie i oscylacje są ze sobą powiązane, ponieważ pierwsze jest efektem przejściowym, a drugie efektem napędzanym, i oba są określone przez bieguny w obwodzie. Oba te efekty są spowodowane przez napędzanie obciążenia pojemnościowego oraz przez pewne przesunięcie fazowe w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Wszystkie układy scalone i komponenty dyskretne mają pewną pojemność wejściową (pojemność pasożytniczą równoległą do najbliższej płaszczyzny masy). Tworzy to pewne opóźnienie fazowe w pętli sprzężenia zwrotnego.

W najprostszym modelu, pojemność obciążenia dodaje pojedynczy biegun do otwartej pętli wzmocnienia wzmacniacza (przy założeniu nieskończonej impedancji wejściowej obciążenia i niezerowej indukcyjności wyjściowej wzmacniacza). W rezultacie, rzeczywiste wzmocnienie pętli w wzmacniaczu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym jest zależne od częstotliwości, ale już nie podąża za prostą zależnością daną przez produkt pasma wzmocnienia. Jest to pokazane poniżej:

Powyższy obwód generuje wzmocnienie z nieodwróconym wyjściem, ale można to pomnożyć przez -1, aby uzyskać wyjście odwrócone. W obu przypadkach celem jest zapobieganie sytuacji, w której wejścia na wejściu odwracającym i nieodwracającym są idealnie przesunięte fazowo, ponieważ wtedy zaczynają się one dodawać; zwróć uwagę na specyfikację marginesu fazy w swoich kartach katalogowych. To tutaj dwie impedancje sprzężenia zwrotnego stają się bardzo ważne, ponieważ powyższe równanie może być użyte do dostosowania przesunięcia fazy w pętli sprzężenia zwrotnego do określonej wartości. Niektóre opcje modyfikacji pętli sprzężenia zwrotnego, aby zapobiec dzwonieniu na wyjściu wzmacniacza, obejmują:

• Dodanie szeregowego rezystora na wyjściu w celu zwiększenia tłumienia (kompensacja poza pętlą)
• Dodanie kondensatora sprzężenia zwrotnego jako równoległej pętli sprzężenia zwrotnego w celu modyfikacji przesunięcia fazy sprzężenia zwrotnego (kompensacja w pętli)
• Dla wzmacniaczy rail-to-rail, zwarcie oscylacji do ziemi za pomocą szeregowego obwodu RC (sieć tłumiąca)

Utrzymujące się oscylacje mogą również pojawić się z powodu niezamierzonego sprzężenia zwrotnego do wejścia nieodwracającego przy wystarczająco wysokich wartościach wzmocnienia, poziomach/wejściach sygnału i poziomach sprzężenia pojemnościowego. Niezależnie od tego, czy oscylacje pojawiają się jako dzwonienie, czy ciągłe oscylacje, dokładne rozwiązanie potrzebne do skompensowania twojego wzmacniacza zależy od konstrukcji wzmacniacza, impedancji wyjściowej i liniowej funkcji przenoszenia. Upewnij się, że używasz odpowiedniego modelu komponentu wzmacniacza w swoich schematach, kiedy przeprowadzasz symulacje SPICE dla swoich obwodów.

Obcinanie

Obcinanie jest generalnie niepożądane, chyba że budujesz coś w rodzaju komparatora, który faktycznie wykorzystuje dodatnie sprzężenie zwrotne i histerezę, aby stworzyć nasycenie na wyjściu. W przypadku obcinania, nie ma nic, co możesz zrobić na poziomie obwodu, chyba że projektujesz wieloetapowy wzmacniacz dla swojego łańcucha sygnałowego. W takim przypadku, upewnij się, że kolejne etapy nie nasycą się wzajemnie; jest to bardziej skomplikowany temat, który zasługuje na własny artykuł techniczny. Inną opcją jest podniesienie napięcia szynowego i zwiększenie dostępnej mocy na zasilaniu, jeśli naprawdę potrzebujesz osiągnąć tak wysokie napięcia wyjściowe.

W skrajnym przypadku, gdy występuje silne niezamierzone sprzężenie między wyjściem a wejściami, może dojść do pewnego przycinania. Może to wystąpić przy bardzo wysokich mocach wejściowych, np. w wzmacniaczu mocy RF, oraz przy bardzo wysokich częstotliwościach (np. wzmacniaczach mmWave). Jak szczegółowo opisano we wcześniejszym artykule na temat stabilności wzmacniacza, rozwiązaniem jest odpowiednie rozmieszczenie wzmacniacza na PCB, tak aby zredukować sprzężenie pasożytnicze. Omówię to bardziej szczegółowo w przyszłym artykule, ponieważ jest to temat dogłębny.

Współczynnik K z parametrów S

Istnieje jeden czynnik, o którym wiele notatek aplikacyjnych dotyczących analizy stabilności wzmacniacza nie wspomina: współczynnik K, pierwotnie sformułowany w pracy Johna Rolletta z 1962 roku opublikowanej przez IEEE, zatytułowanej Stabilność i niezmienność wzmocnienia mocy w dwuportach liniowych. Jeśli możesz obliczyć parametry S dla swojego obwodu wzmacniacza w reżimie liniowym, możesz użyć następującej definicji współczynnika K, aby natychmiast zobaczyć, czy wzmacniacz będzie stabilny:

Podsumowując, wzmacniacz będzie bezwarunkowo stabilny, gdy K > 1. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, możesz mieć do czynienia z niestabilnym wzmacniaczem i powinieneś przeprowadzić więcej symulacji, aby ustalić, czy projekt twojego wzmacniacza jest naprawdę niestabilny i w jakich sytuacjach pojawia się niestabilność. Jak w wielu przypadkach w projektowaniu obwodów i układaniu PCB, system może być niestabilny, ale niestabilność może być tak niewielka, że pozostaje niezauważona i nigdy nie zakłóca działania systemu. W innych przypadkach, będziesz musiał starannie skompensować obciążenie pojemnościowe, jak opisano powyżej, aby zapewnić stabilność twojego projektu.

Jeśli projektujesz stopień wzmacniający dla płyty analogowej i musisz używać symulacji do analizy stabilności wzmacniacza, narzędzia do projektowania obwodów i układania w Altium Designer® mogą pomóc ci zoptymalizować projekt, aby zapobiec oscylacjom. Możesz importować modele symulacyjne dla rzeczywistych komponentów, definiować w tabeli wierceń i dokumentach fabrykacyjnych oraz przygotować wszystkie inne materiały dostarczane do produkcji.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał udostępnić swój projekt, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę z innymi projektantami. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.