¿Por qué es necesario alterar la ganancia de bucle abierto en la compensación de frecuencia del amplificador?

  

por qué dicen que se deshagan de la ganancia de bucle abierto

Decirlo de esta manera es solo una conveniencia, pero lo práctico es que se aplicará una retroalimentación negativa que moldea la ganancia del amplificador a lo que quieres Y corrige la inestabilidad.

En primer lugar, familiarícese con las características importantes de la ganancia de bucle abierto. Esto es para un OPA192: -

Esteamplificadoroperacionalesbastanteestablecuandoconectasretroalimentaciónnegativaypuedesveresoenlarespuestadebucleabiertoporque,paraqueocurralainestabilidad,elángulodefasedeberíaestarpasandoa0gradoscuandolagananciafuepositiva.valordBClaramente,elOPA192seráestablecuandoseutilicenelementosderetroalimentaciónnegativaresistiva.

Ahoraconsideremoselop-ampOPA338.LasiguientegráficamuestraelOPA338(gananciadeunidadinestable)yelOPA337(gananciadeunidadestable):-

  

Mipreguntaesporquédicenquesalgandelagananciadebucleabierto

Sisuamplificadorbásicoesinestable,lagananciadebucleabiertosepuede"ajustar" usando una combinación de componentes de atenuación y realimentación para que un amplificador inestable sea estable en la ganancia que necesita cuando finalmente aplica la retroalimentación negativa requerida.

Sin embargo, la conclusión es que puede aplicar componentes de retroalimentación para corregir la respuesta de bucle abierto que son apenas indistinguibles de los componentes que aplica para darle la ganancia deseada.

Es un poco "bonito" y "teórico" decir que debes "reducir la ganancia de bucle abierto", pero es una forma útil de ver las cosas. la practicidad significa que los comentarios que necesita para obtener el rendimiento deseado se fusionan con otros componentes para evitar la inestabilidad.

La ganancia de bucle cerrado consta de dos ganancias en cascada
a) la ganancia de bucle abierto
b) la ganancia de retroalimentación

Para que un amplificador sea estable cuando se realimenta, la ganancia de bucle cerrado debe ser estable.

Cuando aplicamos realimentación a un amplificador de alta ganancia, estamos creando un sistema en el que la ganancia de la señal de salida / entrada es la inversa de la ganancia de realimentación. Por ejemplo, si queremos una ganancia de señal global de 10, podríamos usar una resistencia de realimentación de la serie 9k y una retroalimentación de 1k en derivación, para obtener una ganancia de realimentación de 0.1, envuelta alrededor de un amplificador operacional de alta ganancia.

Por lo tanto, si queremos un amplificador con una ganancia de señal determinada, no tenemos ningún margen para cambiar la ganancia de realimentación , ya se ha definido.

Si es inestable, solo podemos cambiar la ganancia del bucle abierto.

Para resumir, si todo lo que desea es un amplificador estable, puede modificar la retroalimentación y / o el bucle abierto hasta que esté estable. Si desea un amplificador estable con una ganancia de señal específica , es posible que también deba modificar la respuesta de bucle abierto.

Cuando el cambio de fase alcanza 180 grados, la retroalimentación negativa se convierte en retroalimentación positiva. cambiar la ganancia de bucle cerrado no puede cambiar esto. (Si baja la ganancia de bucle cerrado, seguirá teniendo retroalimentación positiva, aunque todo el sistema tendrá una salida más pequeña). Sin embargo, si la ganancia de bucle abierto se reduce, la frecuencia lo que causa el cambio de 180 grados, la ganancia es menor que uno, la retroalimentación positiva se atenúa en lugar de amplificarse, y no se desestabiliza. (y en las frecuencias de retroalimentación negativa, todavía tenemos suficiente ganancia para que el sistema se comporte)

El ancho de banda de linealidad y estabilidad de un amplificador de bucle cerrado es diferente del amplificador de bucle abierto (amplificador operacional) utilizado para construir el sistema de bucle cerrado. La ganancia de bucle abierto varía con la frecuencia omega, A (omega), y depende de la estructura interna del amplificador operacional, mientras que la ganancia del sistema de bucle cerrado es: G (omega) = A (omega) / (1 + A (omega) * beta (omega))

donde beta (omega) es la respuesta de frecuencia de la red de realimentación (la red de dos puertos que puede identificar como la que tiene su entrada conectada a la salida del amplificador operacional, y su salida conectada al nodo de realimentación del amplificador operacional).

El A y el Beta deben evaluarse en términos del criterio de estabilidad de Barkhausen que establece que, para evitar oscilaciones automáticas, debe ser que: | A beta | < 1 y fase (A beta) < 45 grados

Sabiendo esto, uno puede calcular la respuesta de frecuencia beta (omega), dados los valores de la red de realimentación, y puede leer la A (omega) de la hoja de datos del amplificador operacional.

Al trazar A (omega) superpuesto a 1 / beta (omega), se puede observar lo que sucede en el punto crítico donde las dos líneas se cruzan entre sí: en ese punto crítico A = 1 / beta, o por el contrario, A * beta = 1.

ElmétodocomúnesutilizarelanálisisROC=Velocidaddecierreparaestudiarlaestabilidadalrededordelpuntocrítico.Dadoquelarespuestadefasedecualquierfuncióndetransferenciaestácorrelacionadaconlapendientedesurespuestadefrecuencia,essuficienteobservarlapendientedelascurvasA(omega)y1/beta(omega)dondesecruzanentresí(enunaescalalogarítmicatrazarestossonlosllamadosdiagramasdeBode).

ElbucleabiertoA(omega)generalmentetieneunpolodominante(pendiente=-20dB/dec)yA(omega)cruzaelejedefrecuenciaaunafrecuenciaigualafGBP(GBP=Gananciadeanchodebandadelproducto,estapiezadedatospuedeleerdelahojadedatosdelamplificadoroperacional),principalmentedebidoalacapacitanciadeentradadelamplificadoroperacional.

Laredderealimentacióndeunamplificadordebuclecerradolinealsueleserundivisordevoltajeformadopordosresistencias.Estetipoderednotienepolos,niceros.

ParatenerelmargendefasedeA*betacercade45grados,esnecesarioteneralmenosunpolosuplementarioeneldiagramabeta(omega):estocorrespondeatenerunceroyunpoloenel1/Diagramabeta(omega),loquehacequeesteúltimosevuelvaplanoparaaltasfrecuencias.

Sipodemoshacerqueeldiagrama1/beta(omega)intercepteelA(omega)demaneraque1/beta(omega)seaplanocuandoA(omega)seinclinehaciaabajoa-20dB/dec,entoncesestasituaciónElmargendefasedeA*betaestácercadelos45grados:elsistemaes,porlotanto,estable.

EstosepuedehacercolocandouncondensadordederivaciónCfenparaleloalaresistenciaderealimentación(laqueestáconectadaalasalidadelamplificadoroperacionalenlaredderealimentación):estasoluciónsedenominacompensacióndeMiller.Esecondensadorhaceelpoloquenecesitamosenbeta(omega)parapoderintroducirelpolosuplementarioquenecesitamos:f_pole=1/(2*piRf(Ci+Cf))

dondeRfeslaresistenciaderealimentaciónyCieslacapacitanciadeentradadelamplificadoroperacional(léaloenlahojadedatos).

Eltriánguloaproximadoformadoporlaintercepcióndelasdoscurvasconelejehorizontal,enescalalogarítmica,daalafrecuenciadeintercepciónf_intelpromediodelosotrosdosvérticesenlabase:log(f_int)=(log(f_pole)+log(f_GBP))/2

Laúltimafórmulapuedesustituirseporlaexpresióndef_poleyexpandirseenelprimerordenconlaseriedeTaylor.Apartirdeesaexpansión,invirtiendolafórmula,sepuedeobtenerelvaloradecuadoparaelcondensadorderealimentacióncomo:

Cf=(1+sqrt(1+8*piRfCi*f_GBP))/(4*piRff_GBP)

Uncapacitormásgrandesiguesiendobuenoperoinnecesario:losvaloresmásgrandesqueestollevanaunasobrecompensacióninnecesaria.

Elanchodebandaresultantedelsistemadebuclecerradoesf_int<f_GBP,paraotorgarestabilidad.Estosepuedeleeralainversa:paraunanchodebandadeseadodadodelsistemadebuclecerrado,elanchodebandadelamplificadoroperacionaldebucleabiertodebesermayor,segúnlodichoanteriormente.Desdeelpuntodevistadelateoríadecontrol,elsistemadecontrol(enestecaso,elamplificadoroperacional)siempredebesermásrápidoqueelsistemacontrolado(aquíeslaredderetroalimentación).

Estasúltimasoracionessonlarespuestafinalatupregunta,loqueestáanteseslaexplicaciónde"por qué" es así.

Saludos cordiales,

Erik