Dao động, Cắt sóng, và Rung trong Phân tích Ổn định của Bộ khuếch đại

Op amps có lẽ là cơ sở kiến thức về khuếch đại cho nhiều nhà thiết kế kỹ thuật số, và có thể không có nhiều kiến thức tiếp theo sau đó trong các lớp học về điện tử. Một người bạn của tôi từng đùa, “bạn chỉ cần học về RF và mạch tương tự để vượt qua kỳ thi tuyển.” Điều này có thể hiểu được; trừ khi ai đó đã làm việc trong lĩnh vực viễn thông hoặc phát triển các thiết bị kiểm tra, họ có lẽ chủ yếu làm việc với mạch tương tự tần số thấp hoặc trong hệ thống số và không cần thiết phải sử dụng nhiều mạch khuếch đại tần số cao. Ngày nay, nhiều hệ thống đang tích hợp mạch tương tự cùng với số ở tần số cao (ví dụ, không dây trên sản phẩm IIoT), tạo ra nhu cầu về khuếch đại trên bo mạch.

Một khía cạnh của khuếch đại mà đôi khi được thảo luận kém trong tờ dữ liệu linh kiện là khả năng không ổn định trong đầu ra từ một khuếch đại. Tôi đã thảo luận về khả năng không ổn định của khuếch đại RF trong một bài viết trước đây do phản hồi không mong muốn từ dung kháng nhiễu, nhưng sự không ổn định cũng có thể xảy ra ở tần số thấp hơn nơi mà nhiễu có thể không phải là nguyên nhân chính. Hãy xem xét những gì gây ra những sự không ổn định này và cách sử dụng một số phép tính phân tích ổn định khuếch đại đơn giản để hiểu rõ hơn về các khuếch đại của bạn.

Những điều cần chú ý trong Phân tích Ổn định Khuếch đại

Có ba hiệu ứng không ổn định chính xảy ra trong mạch khuếch đại:

• Cắt bớt: Khi được kích thích quá mức với phản hồi âm, hoặc khi phản hồi dương chiếm ưu thế, bộ khuếch đại có thể bão hòa và sẽ bị cắt bớt. Điều này là do hành vi phi tuyến tính và phản hồi tự nhiên trong tất cả các mạch khuếch đại.
• Rung: Điều này xuất hiện như một dao động không giảm xóc, thường xảy ra khi bộ khuếch đại được kích thích bằng một tín hiệu bước. Nói cách khác, đây là một phản ứng tạm thời trong tín hiệu đầu ra tương ứng với những gì sẽ xảy ra trong một mạch RLC không giảm xóc.
• Dao động: Hiệu ứng này chính xác như nó nghe: đầu ra dao động với một tần số xác định. Điều này có thể là cố ý (ví dụ, trong một mạch đa dao động) hoặc không cố ý (khi được kích thích định kỳ xung quanh một cực).

Đồ thị trên đây cho thấy các ví dụ về rung và cắt bớt; lưu ý rằng rung và dao động liên quan đến việc dao động có thể xảy ra mà không cần giảm xóc. Hãy xem xét từng khu vực này một cách sâu sắc hơn để xem có thể làm gì để ngăn chặn những vấn đề này ở cấp độ sơ đồ và cấp độ bảng mạch.
Rung và Dao động

Ringing và dao động liên quan đến nhau ở chỗ, ringing là một hiệu ứng tạm thời và dao động là một hiệu ứng được kích thích, và cả hai đều được xác định bởi các cực trong mạch. Cả hai hiệu ứng này đều được gây ra bởi việc kích thích một tải điện dung và do một số độ lệch pha trong vòng hồi tiếp của bộ khuếch đại. Tất cả các mạch tích hợp và linh kiện rời rạc đều có một số điện dung đầu vào (một điện dung shunt ký sinh tới mặt đất gần nhất). Điều này tạo ra một số độ trễ pha trong vòng hồi tiếp.

Trong mô hình đơn giản nhất, điện dung tải thêm một cực vào lợi ích khuếch đại vòng mở của bộ khuếch đại (giả sử trở kháng đầu vào tải vô cùng lớn và độ tự cảm đầu ra của bộ khuếch đại khác không). Kết quả là, lợi ích vòng thực tế trong một bộ khuếch đại phản hồi âm phụ thuộc vào tần số, nhưng không còn tuân theo mối quan hệ đơn giản được đưa ra bởi sản phẩm băng thông-lợi ích. Điều này được thể hiện dưới đây:

Mạch trên tạo ra lợi ích với đầu ra không đảo ngược, nhưng điều này có thể được nhân với -1 để có đầu ra đảo ngược. Trong mọi trường hợp, mục tiêu là ngăn chặn các đầu vào tại các đầu vào đảo ngược và không đảo ngược không hoàn toàn ngược pha, vì chúng sẽ sau đó trở nên cộng gộp; chú ý đến thông số biên độ pha trong bảng dữ liệu của bạn. Đây là nơi mà hai trở kháng phản hồi trở nên rất quan trọng vì phương trình trên có thể được sử dụng để điều chỉnh độ lệch pha trong vòng lặp phản hồi với một giá trị cụ thể. Một số lựa chọn để chỉnh sửa vòng lặp phản hồi nhằm ngăn chặn hiện tượng rung trong đầu ra của bộ khuếch đại bao gồm:

• Thêm một điện trở nối tiếp trên đầu ra để tăng độ giảm xóc (bù ngoài vòng lặp)
• Thêm một tụ điện phản hồi như một vòng lặp phản hồi song song để chỉnh sửa độ lệch pha phản hồi (bù trong vòng lặp)
• Đối với các bộ khuếch đại từ đầu này sang đầu kia, ngắn mạch dao động xuống đất với một mạch RC nối tiếp (mạng lưới snubber)

Dao động liên tục cũng có thể xuất hiện do sự ghép nối không mong muốn trở lại với đầu vào không đảo ngược cho các giá trị khuếch đại đủ cao, mức độ/tần số tín hiệu đầu vào, và mức độ ghép nối điện dung. Dù dao động xuất hiện dưới dạng rung hoặc dao động liên tục, giải pháp chính xác cần thiết để bù đắp cho bộ khuếch đại của bạn phụ thuộc vào cấu trúc của bộ khuếch đại, trở kháng đầu ra, và hàm chuyển đổi tuyến tính. Hãy chắc chắn bạn sử dụng mô hình thành phần bộ khuếch đại phù hợp trong sơ đồ của bạn khi chạy mô phỏng SPICE cho các mạch của bạn.

Cắt

Cắt thường không mong muốn trừ khi bạn đang xây dựng thứ gì đó như một bộ so sánh, thực sự tận dụng phản hồi tích cực và độ trễ để tạo ra một đầu ra bão hòa. Đối với việc cắt, không có gì bạn có thể làm ở cấp độ mạch trừ khi bạn đang thiết kế một bộ khuếch đại đa chuỗi cho chuỗi tín hiệu của mình. Trong trường hợp đó, hãy chắc chắn rằng các giai đoạn kế tiếp không làm bão hòa lẫn nhau; đây là một chủ đề phức tạp hơn xứng đáng có một bài viết kỹ thuật riêng. Lựa chọn khác là tăng điện áp ray và tăng công suất có sẵn tại nguồn cung cấp nếu bạn thực sự cần đạt đến các điện áp đầu ra cao như vậy.

Trong trường hợp cực đoan, khi có sự ghép nối không mong muốn mạnh mẽ giữa đầu ra và các đầu vào, có thể xảy ra hiện tượng cắt ngọn. Điều này có thể xảy ra ở các công suất đầu vào rất cao, ví dụ, trong một bộ khuếch đại công suất RF, và ở tần số rất cao (ví dụ, bộ khuếch đại mmWave). Như đã được chi tiết trong bài viết trước về sự ổn định của bộ khuếch đại, giải pháp là bố trí bộ khuếch đại trên PCB một cách đúng đắn để giảm ghép nối nhiễu. Tôi sẽ thảo luận thêm về chủ đề này trong một bài viết tương lai vì đây là một chủ đề sâu rộng.

Hệ số K từ các tham số S

Có một yếu tố mà nhiều ghi chú ứng dụng về phân tích ổn định bộ khuếch đại không đề cập đến: hệ số K, ban đầu được John Rollett đề xuất trong bài báo IEEE năm 1962 có tiêu đề Sự Ổn Định và Các Bất Biến Công Suất Khuếch Đại của Hai Cổng Tuyến Tính. Nếu bạn có thể tính toán các tham số S cho mạch bộ khuếch đại của mình trong chế độ tuyến tính, bạn có thể sử dụng định nghĩa hệ số K sau đây để ngay lập tức xác định xem bộ khuếch đại có ổn định hay không:

Tóm lại, bộ khuếch đại sẽ ổn định không điều kiện khi K > 1. Nếu điều kiện này không được thỏa mãn, thì bạn có thể có một bộ khuếch đại không ổn định, và bạn nên thực hiện thêm các mô phỏng để xác định xem thiết kế bộ khuếch đại của bạn có thực sự không ổn định và trong những tình huống nào sự không ổn định xuất hiện. Như nhiều trường hợp trong thiết kế mạch và bố trí PCB, một hệ thống có thể không ổn định, nhưng sự không ổn định có thể rất nhỏ đến mức nó không được chú ý và không bao giờ can thiệp vào hoạt động của hệ thống. Trong các trường hợp khác, bạn sẽ cần phải cẩn thận bù đắp tải điện dung như đã mô tả ở trên để đảm bảo thiết kế của bạn ổn định.

Nếu bạn đang thiết kế một giai đoạn khuếch đại cho một bảng mạch analog và bạn cần sử dụng mô phỏng để phân tích sự ổn định của bộ khuếch đại, các công cụ thiết kế mạch và bố trí trong Altium Designer® có thể giúp bạn tối ưu hóa thiết kế của mình để ngăn chặn dao động. Bạn có thể nhập mô hình mô phỏng cho các linh kiện thực, định nghĩa trong bảng khoan và tài liệu chế tạo của bạn, và chuẩn bị tất cả các tài liệu giao hàng khác cho việc sản xuất.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình và muốn chia sẻ dự án, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.