Oscilações, Clipping e Ringing na Análise de Estabilidade de Amplificadores

Os amplificadores operacionais provavelmente formam a base do conhecimento sobre amplificadores para muitos projetistas digitais, e pode não haver muito mais que isso nas aulas de eletrônica. Um amigo meu uma vez brincou, “você só precisava aprender RF e circuitos analógicos para passar nos seus exames de qualificação.” Isso é compreensível; a menos que alguém tenha trabalhado em telecomunicações ou desenvolvendo instrumentos de teste, provavelmente trabalhou mais com analógico de baixa frequência ou em sistemas digitais e não teve muita necessidade de circuitos amplificadores de alta frequência. Atualmente, mais sistemas estão integrando circuitos analógicos ao lado de digitais em altas frequências (por exemplo, wireless em produtos IIoT), criando uma necessidade de amplificação a bordo.

Um aspecto dos amplificadores que às vezes é mal discutido nas folhas de dados dos componentes é a possibilidade de instabilidade na saída de um amplificador. Eu discuti a possibilidade de instabilidade em amplificadores RF em um artigo anterior devido a feedback não intencional de capacitância parasita, mas instabilidades também podem ocorrer em frequências mais baixas onde os parasitas podem não ser o principal culpado. Vamos olhar o que causa essas instabilidades e como usar alguns cálculos simples de análise de estabilidade de amplificadores para entender melhor seus amplificadores.

O que Observar na Análise de Estabilidade de Amplificadores

Existem três efeitos de instabilidade primários que ocorrem em circuitos de amplificadores:

• Clipping: Quando impulsionado demais com feedback negativo, ou quando o feedback positivo domina, o amplificador pode saturar e ocorrerá o clipping. Isso se deve ao comportamento não linear inerente e ao feedback em todos os circuitos de amplificador.
• Ringing: Isso aparece como uma oscilação subamortecida, normalmente quando o amplificador é impulsionado com uma entrada degrau. Em outras palavras, esta é uma resposta transitória no sinal de saída correspondente ao que ocorreria em um circuito RLC subamortecido.
• Oscilações: Este efeito é exatamente como soa: a saída oscila com uma frequência definida. Isso pode ser intencional (por exemplo, em um circuito multivibrador) ou não intencional (quando impulsionado periodicamente ao redor de um polo).

O gráfico acima mostra exemplos de ringing e clipping; note que ringing e oscilações estão relacionados pelo fato de que oscilações podem ocorrer sem amortecimento. Vamos olhar cada uma dessas áreas com mais profundidade para ver o que pode ser feito para prevenir esses problemas no nível esquemático e no nível da placa.
Ringing e Oscilações

Ruídos e oscilações estão relacionados pelo fato de que o primeiro é um efeito transitório e o segundo é um efeito induzido, e ambos são determinados por polos no circuito. Esses efeitos são causados pela condução de uma carga capacitiva e devido a algum deslocamento de fase no loop de feedback do amplificador. Todos os circuitos integrados e componentes discretos possuem alguma capacitância de entrada (uma capacitância parasita de desvio para o plano de terra mais próximo). Isso cria algum atraso de fase no loop de feedback.

No modelo mais simples, a capacitância de carga adiciona um único polo ao ganho de loop aberto do amplificador (assume impedância de entrada de carga infinita e indutância de saída do amplificador não nula). Como resultado, o ganho de loop real em um amplificador de feedback negativo é dependente da frequência, mas não segue mais a relação simples dada pelo produto ganho-largura de banda. Isso é mostrado abaixo:

O circuito acima produz ganho com uma saída não invertida, mas isso pode ser multiplicado por -1 para uma saída invertida. Em qualquer caso, o objetivo é evitar que as entradas nas entradas inversora e não inversora estejam perfeitamente fora de fase, pois elas se tornarão aditivas; preste atenção à especificação de margem de fase em suas folhas de dados. É aqui que as duas impedâncias de feedback se tornam muito importantes, pois a equação acima pode ser usada para ajustar o deslocamento de fase no loop de feedback para um valor específico. Algumas opções para modificar o loop de feedback para evitar o ringing na saída de um amplificador incluem:

• Adicionar um resistor em série na saída para aumentar o amortecimento (compensação fora do loop)
• Adicionar um capacitor de feedback como um loop de feedback paralelo para modificar o deslocamento de fase do feedback (compensação dentro do loop)
• Para amplificadores rail-to-rail, desviar a oscilação para o terra com um circuito RC em série (rede snubber)

Oscilações persistentes também podem aparecer devido ao acoplamento não intencional de volta à entrada não-inversora para valores de ganho suficientemente altos, níveis/frequências do sinal de entrada e níveis de acoplamento capacitivo. Se as oscilações aparecem como toques ou oscilações contínuas, a solução exata necessária para compensar seu amplificador depende da construção do amplificador, impedância de saída e função de transferência linear. Certifique-se de usar o modelo de componente de amplificador correto em seus esquemáticos ao executar simulações SPICE para seus circuitos.

Clipping

O clipping geralmente é indesejável, a menos que você esteja construindo algo como um comparador, que na verdade explora o feedback positivo e a histerese para criar uma saída saturada. Para o clipping, não há nada que você possa fazer no nível do circuito, a menos que esteja projetando um amplificador de múltiplas cadeias para sua cadeia de sinal. Nesse caso, certifique-se de que os estágios sucessivos não estejam saturando um ao outro; este é um tópico mais complicado que merece seu próprio artigo técnico. A outra opção é aumentar a tensão de alimentação e aumentar sua potência disponível na fonte, se você realmente precisa chegar a tais altas tensões de saída.

No caso extremo, onde há uma forte acoplamento não intencional entre a saída e as entradas, pode ocorrer algum recorte. Isso pode acontecer em potências de entrada muito altas, por exemplo, em um amplificador de potência RF, e em frequências muito altas (por exemplo, amplificadores mmWave). Como foi detalhado no artigo anterior sobre estabilidade de amplificadores, a solução é dispor adequadamente o amplificador na PCB de modo que o acoplamento parasitário seja reduzido. Discutirei mais sobre isso em um futuro artigo, pois é um tópico profundo.

Fator K a partir de parâmetros S

Existe um fator que muitas notas de aplicação sobre análise de estabilidade de amplificadores não mencionam: o fator K, originalmente formulado no artigo de John Rollett de 1962 na IEEE intitulado Estabilidade e Invariantes de Ganho de Potência em Bipolos Lineares. Se você puder calcular os parâmetros S para o circuito do seu amplificador no regime linear, você pode usar a seguinte definição do fator K para ver imediatamente se o amplificador será estável:

Em resumo, o amplificador será incondicionalmente estável quando K > 1. Se essa condição não for satisfeita, então você pode ter um amplificador instável, e deverá fazer mais simulações para determinar se o seu projeto de amplificador é realmente instável e em quais situações a instabilidade surge. Como em muitos casos no design de circuitos e layout de PCB, um sistema pode ser instável, mas a instabilidade pode ser tão menor que passa despercebida e nunca interfere na operação do sistema. Em outros casos, você precisará compensar cuidadosamente a carga capacitiva conforme descrito acima para garantir que seu design seja estável.

Se você está projetando um estágio de amplificação para uma placa analógica e precisa usar simulações para análise de estabilidade do amplificador, as ferramentas de design de circuito e layout em Altium Designer podem ajudá-lo a otimizar seu design para prevenir oscilações. Você pode importar modelos de simulação para componentes reais, definir na sua tabela de furação e documentos de fabricação, e preparar todos os outros entregáveis para a fabricação.

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