Колебания, обрезание и дребезжание в анализе стабильности усилителей

Операционные усилители, вероятно, составляют основу знаний об усилителях для многих цифровых дизайнеров, и после этого в электронных курсах может не быть много другой информации. Один мой друг однажды пошутил: «тебе только нужно было изучить РЧ и аналоговые схемы, чтобы сдать квалификационные экзамены». Это понятно; если кто-то не работал в телекоммуникациях или не разрабатывал измерительные приборы, то, скорее всего, он работал в основном с аналоговыми схемами низкой частоты или в цифровых системах и не имел большой необходимости в усилительных схемах высокой частоты. В настоящее время больше систем интегрируют аналоговую схемотехнику наряду с цифровой на высоких частотах (например, беспроводные технологии в продуктах IIoT), создавая потребность в усилении на борту.

Один из аспектов усилителей, который иногда плохо обсуждается в технических описаниях компонентов, - это возможность нестабильности на выходе из усилителя. Я обсуждал возможность нестабильности РЧ-усилителя в предыдущей статье из-за непреднамеренной обратной связи от паразитной емкости, но нестабильности также могут происходить на более низких частотах, где паразиты могут не быть основной причиной. Давайте рассмотрим, что вызывает эти нестабильности и как использовать некоторые простые расчеты анализа стабильности усилителей, чтобы лучше понять ваши усилители.

На что обратить внимание при анализе стабильности усилителей

Существует три основных эффекта нестабильности, которые возникают в схемах усилителей:

• Обрезание: При слишком высоком управлении с отрицательной обратной связью или когда доминирует положительная обратная связь, усилитель может насытиться и произойдет обрезание сигнала. Это связано с присущим нелинейным поведением и обратной связью во всех схемах усилителей.
• Колебания: Это проявляется как недоамортизированная осцилляция, обычно когда усилитель управляется ступенчатым входным сигналом. Другими словами, это переходная реакция в выходном сигнале, соответствующая тому, что произойдет в недоамортизированной RLC-цепи.
• Осцилляции: Этот эффект точно такой, как звучит: выходной сигнал осциллирует с некоторой определенной частотой. Это может быть намеренным (например, в мультивибраторной схеме) или непреднамеренным (когда управление периодически происходит вокруг полюса).

На приведенном выше графике показаны примеры колебаний и обрезания; обратите внимание, что колебания и осцилляции связаны тем, что осцилляции могут происходить без демпфирования. Давайте рассмотрим каждую из этих областей более подробно, чтобы увидеть, что можно сделать для предотвращения этих проблем на уровне схемы и платы.
Колебания и Осцилляции

Звон и колебания связаны тем, что первое является переходным эффектом, а второе - вызванным эффектом, и оба определяются полюсами в цепи. Оба эти эффекта вызваны подачей напряжения на емкостную нагрузку и некоторым сдвигом фазы в петле обратной связи усилителя. Все интегральные схемы и дискретные компоненты имеют некоторую входную емкость (паразитную шунтирующую емкость до ближайшей земляной плоскости). Это создает некоторое запаздывание фазы в петле обратной связи.

В самой простой модели емкость нагрузки добавляет один полюс к открытому усилению усилителя (предполагается бесконечное входное сопротивление нагрузки и ненулевая индуктивность выхода усилителя). В результате реальное усиление петли в усилителе с отрицательной обратной связью зависит от частоты, но больше не следует простому соотношению, заданному произведением коэффициента усиления на полосу пропускания. Это показано ниже:

Вышеуказанная схема обеспечивает усиление с неинвертированным выходом, но его можно умножить на -1 для получения инвертированного выхода. В любом случае цель состоит в том, чтобы предотвратить идеальное противофазное состояние на инвертирующем и неинвертирующем входах, поскольку в этом случае они станут суммирующимися; обратите внимание на спецификацию фазового запаса в ваших технических описаниях. Здесь два импеданса обратной связи становятся очень важными, поскольку приведенное выше уравнение может быть использовано для точной настройки сдвига фазы в петле обратной связи до определенного значения. Некоторые варианты модификации петли обратной связи для предотвращения звона на выходе усилителя включают:

• Добавление последовательного резистора на выходе для увеличения демпфирования (компенсация вне петли)
• Добавление конденсатора обратной связи как параллельной петли обратной связи для модификации сдвига фазы обратной связи (компенсация в петле)
• Для усилителей с широким диапазоном питания подавить колебания на землю с помощью последовательной RC-цепи (сеть снаббера)

Постоянные колебания также могут появляться из-за непреднамеренной обратной связи на неинвертирующий вход при достаточно высоких значениях усиления, уровнях/частотах входного сигнала и уровнях емкостной связи. Независимо от того, проявляются ли колебания как звон или непрерывные колебания, точное решение, необходимое для компенсации вашего усилителя, зависит от конструкции усилителя, выходного импеданса и линейной передаточной функции. Убедитесь, что вы используете правильную модель компонента усилителя в ваших схемах, когда проводите симуляции SPICE для ваших цепей.

Ограничение сигнала

Ограничение сигнала обычно нежелательно, если только вы не создаете что-то вроде компаратора, который на самом деле использует положительную обратную связь и гистерезис для создания насыщенного выхода. Для ограничения сигнала на уровне схемы сделать ничего нельзя, если только вы не разрабатываете многокаскадный усилитель для вашей цепи сигналов. В этом случае убедитесь, что последующие стадии не насыщают друг друга; это более сложная тема, которая заслуживает отдельной технической статьи. Другой вариант - повысить напряжение питания и увеличить доступную мощность на источнике питания, если вам действительно нужно достичь таких высоких выходных напряжений.

В крайнем случае, когда существует сильная непреднамеренная связь между выходом и входами, может произойти некоторое обрезание сигнала. Это может произойти при очень высоких входных мощностях, например, в усилителе мощности РЧ, и на очень высоких частотах (например, усилители миллиметрового диапазона). Как было подробно описано в предыдущей статье об устойчивости усилителей, решение заключается в правильной разводке усилителя на печатной плате, чтобы уменьшить паразитную связь. Я обсужу это более подробно в будущей статье, поскольку это тема требует глубокого изучения.

Коэффициент К из S-параметров

Есть один фактор, о котором многие методические указания по анализу устойчивости усилителей не упоминают: коэффициент К, впервые сформулированный в статье Джона Роллетта 1962 года в IEEE под названием Устойчивость и инварианты усиления мощности линейных двухполюсников. Если вы можете рассчитать S-параметры для вашей схемы усилителя в линейном режиме, вы можете использовать следующее определение коэффициента К, чтобы сразу увидеть, будет ли усилитель устойчив:

Вкратце, усилитель будет безусловно стабильным, когда K > 1. Если это условие не выполняется, то у вас может получиться нестабильный усилитель, и вам следует провести дополнительные симуляции, чтобы определить, действительно ли ваша конструкция усилителя нестабильна и в каких ситуациях возникает нестабильность. Как и во многих случаях при проектировании схем и разводке печатных плат, система может быть нестабильной, но нестабильность может быть настолько незначительной, что она остается незамеченной и никогда не мешает работе системы. В других случаях вам нужно будет тщательно компенсировать емкостную нагрузку, как описано выше, чтобы обеспечить стабильность вашего дизайна.

Если вы разрабатываете усилительный каскад для аналоговой платы и вам нужно использовать симуляции для анализа стабильности усилителя, инструменты проектирования схем и разводки в Altium Designer® могут помочь вам оптимизировать ваш дизайн, чтобы предотвратить колебания. Вы можете импортировать модели симуляции для реальных компонентов, определить в вашей таблице сверловки и документах производства, а также подготовить все другие документы для производства.

Когда вы закончили свой проект и хотите поделиться им, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу с другими дизайнерами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.