Estabilidade de Amplificadores em Altas Frequências e Capacitância Parasita

Amplificadores são componentes críticos que tornam a vida moderna possível. Desde a comunicação sem fio até a eletrônica de potência, os amplificadores precisam funcionar de maneira estável e previsível para que esses produtos funcionem corretamente. A análise de estabilidade é um dos meus tópicos favoritos em física e engenharia, e sempre tende a surgir em lugares que você menos espera. Um desses lugares é nos amplificadores.

Qualquer sistema físico dependente do tempo com feedback e ganho tem condições sob as quais o sistema alcançará um comportamento estável. A estabilidade do amplificador estende esses conceitos para amplificadores, onde a saída do sistema pode crescer para um estado saturado indesejado devido ao feedback não intencional. Se você usar as ferramentas certas de design e simulação, pode facilmente contabilizar a instabilidade potencial em seus modelos de circuito antes de criar seu layout.

Como a Capacitância Parasita Afeta a Estabilidade do Amplificador RF

A fonte de instabilidade em circuitos de amplificadores, e entre os portos de entrada e saída de um CI de amplificador, é a capacitância parasita. Essa capacitância parasita existe entre os traços que se conectam a um amplificador. A capacitância parasita é crítica para definir a impedância de traços longos (ou seja, linhas de transmissão) em um valor específico. No entanto, a capacitância parasita também fornece um caminho não intencional para o feedback entre os portos de saída e entrada.

Uma vez que este caminho de feedback é capacitivo, sua impedância é menor quando a frequência do sinal de entrada/saída é mais alta. Atualmente, isso é normalmente abordado no nível do chip, mas a contribuição das trilhas e pads de PCB torna-se mais importante à medida que mais amplificadores de RF operam em frequências cada vez mais altas. Apenas alguns pF de capacitância parasita são suficientes para levar um amplificador à instabilidade durante a operação.

No nível da placa, a capacitância parasita na entrada tem um efeito limitador de largura de banda, onde a largura de banda é reduzida por um fator (1 + Ganho). A solução é projetar trilhas e pads nos portos do amplificador para terem a mínima capacitância parasita possível, ou adicionar alguma capacitância compensatória no loop de feedback. No regime de altos GHz (por exemplo, frequências de ondas milimétricas), o espaçamento entre componentes é maior que o comprimento crítico, então você teria que usar roteamento controlado por impedância. A integração de alguns componentes em SoCs está ajudando a eliminar esse problema, mas muitos amplificadores de RF para dispositivos futuros ainda são embalados como componentes individuais. Um exemplo claro são os novos amplificadores de potência para aplicações em ondas milimétricas.

A maneira típica de avaliar a estabilidade de um amplificador é usar a placa de avaliação do fabricante e medir qualquer comportamento transitório diretamente. A outra opção é determinar a capacitância parasita nas trilhas de entrada e saída conectadas ao amplificador e incluí-las em uma simulação. Essas simulações também permitem que você experimente com um capacitor de compensação no loop de feedback do amplificador para contrabalançar a capacitância parasita.

Como Contabilizar a Capacitância Parasita em uma Simulação

Seu esquemático é apenas um desenho 2D de um circuito perfeito. Ele não contém nenhum elemento capacitivo parasita em qualquer parte do seu sistema e não reflete com precisão o comportamento real de uma PCB. Dito isso, as ferramentas de design certas facilitarão a inclusão de parasitas em sua PCB. Seja você tentando simular auto-ressonâncias em componentes passivos, ou querendo simular a capacitância parasita em outras partes do seu sistema, você precisará adicionar capacitores ao seu esquemático em locais estratégicos.

Para simular a capacitância parasita na entrada de um amplificador, basta adicionar capacitores do tamanho certo e uma fonte AC à entrada do seu amplificador. Os capacitores são colocados como elementos shunt (ou seja, conectados à conexão de terra comum) nas portas de entrada e saída do amplificador. Você também precisará usar um modelo de componente verificado para o seu componente amplificador para ter uma ideia do comportamento do amplificador na presença de capacitância parasita. Os elementos capacitivos shunt modelarão o acoplamento entre o terra e as trilhas de entrada/saída na sua placa.

Você pode então realizar dois tipos de simulações: análise transiente e análise de polo-zero.

Resultados Esperados da Análise Transiente

Com a análise transiente, você pode ver se o sinal se torna instável e cresce até a saturação ao longo do tempo à medida que o amplificador funciona. O gráfico abaixo mostra alguns resultados de exemplo para um sinal de 100 GHz com forte instabilidade devido à grande capacitância parasita. Aqui, a tensão transiente na saída atinge um valor de saturação de 2 V devido ao feedback não intencional forte e a um alto nível de sinal de entrada.

Observe que as perdas não foram consideradas no exemplo de feedback acima, e é sabido que a perda no substrato pode fazer com que um dispositivo, de outra forma instável, torne-se estável, pois isso compensa o ganho no loop de feedback não intencional.

Resultados Esperados da Análise de Polo-Zero

Nos resultados da análise de polo-zero, você esperaria ver dois polos nas saídas da simulação. Um seria um polo estável, representando o loop de feedback estável. O autovalor para este polo teria uma parte real negativa. Se o circuito for instável, outro polo deveria aparecer como um segundo autovalor com parte real positiva; isso corresponde a uma oscilação crescente instável devido ao feedback via capacitância parasita. Você pode ver alguns exemplos de resultados de análise de polo-zero nesta página.

Há outro tipo de estabilidade correspondente a uma oscilação estável amortecida, também conhecida como ciclo limite. Essa transiente decrescente pode resultar em um comportamento oscilante estável, semelhante ao que é visto em amplificadores usados em configuração de diferenciador sem um resistor em série na entrada. Você pode identificar esse comportamento a partir dos resultados da análise de polo-zero comparando a constante de amortecimento (a parte real de um autovalor) com a frequência de oscilação transiente.

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