cobra ganho de loop

Cuidado com o ganho do loop –

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Já falei sobre esse tópico antes, mas desta vez vamos dar uma olhada mais profunda. Primeiro, não vamos discutir a situação de ganho de loop de figura 1, mesmo que tentar lidar com um amplificador operacional problemático possa parecer um pouco assim.

cobra ganho de loop figura 1 Este não é o significado do ganho de loop que discutiremos aqui.

Em vez disso, veremos um modelo simplificado de amplificador operacional com o feedback total de um seguidor de tensão de ganho unitário, como visto em Figura 2.

feedback do modelo de amp opFigura 2 Vamos analisar este modelo simplificado de amplificador operacional com feedback completo.

Todo amplificador operacional possui pelo menos dois pólos em sua resposta de frequência. Um polo está em baixa frequência, chame isso de F1, enquanto um segundo polo está em alta frequência, chame isso de F2. Deixando C3 ser zero para que não haja pólo em F3 e usando aproximações lineares, a curva de rolloff da frequência de feedback total pode parecer Figura 3.

curva de rolloff da frequência de feedbackFigura 3 Aqui está a curva de rolagem da frequência de feedback total para nossas condições.

Com o polo em F2 em frequência mais alta que a freqüência de cruzamento de 0 dB, a inclinação desse rollout nesse ponto de cruzamento será muito próxima de -6 dB por oitava. Sob essa condição, a margem de ganho e a margem de fase serão boas e o amplificador será não-oscilatório. Chame isso de “estável”.

curva de rolloff F2Figura 4 Se F2 cair abaixo do ponto de cruzamento de 0 dB, a inclinação do rolloff através desse cruzamento se aproximará de -12 dB por oitava.

No entanto, se o pólo de frequência mais alta F2 não for suficientemente alto, se F2 ficar abaixo do ponto de cruzamento de 0 dB, a inclinação de rolagem nesse cruzamento se aproximará de -12 dB por oitava. Margem de ganho e margem de fase serão fracas e a instabilidade oscilatória provavelmente será o resultado.

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Nós, homens barbudos, podemos lembrar como o amplificador operacional Fairchild µA709 foi produzido dessa maneira. Você não pode usar esse amplificador operacional como um seguidor de tensão de ganho de unidade. O dispositivo não era “ganho de unidade estável”. O sucessor de Fairchild para o µA709 foi o µA741, que foi ganho de unidade estável.

Se colocarmos F2 de volta no alto novamente, mas introduzirmos o poste F3 como em Figura 5, podemos obter novamente uma inclinação de -12 dB por oitava através do ponto de cruzamento de 0 dB e os mesmos problemas de instabilidade surgirão.

curva de rolloff F3Figura 5 Aumentar a F2 e introduzir o pólo F3 produz os mesmos problemas de instabilidade.

Obviamente, se introduzíssemos F3 e colocássemos F2 baixo novamente, a inclinação através do ponto de cruzamento de 0 dB seria de -18 dB por oitava, caso em que a oscilação do amplificador operacional seria absolutamente garantida. Não há necessidade de fazer um desenho para isso!

Agora vamos dar uma olhada nos resultados práticos de tudo isso. No circuito não inversor de Figura 6, o circuito (a) mostra que um capacitor C3 conectado entre as entradas inversora e não inversora de um amplificador operacional e dois resistores fornece o feedback.

circuito não inversorFigura 6 Este circuito não inversor mostra os resultados práticos de tudo isso.

Referindo-nos novamente à Figura 6, podemos deixar a variável R ir para o circuito aberto para maximizar o feedback ao redor do loop e, para a análise de estabilidade do loop, podemos mover C3 da impedância de fonte zero de E1 para a impedância de fonte zero de terra. , como em (b). Arbitrariamente definindo uma resistência de realimentação R3 para 10K e usando a análise de equações diferenciais recursivas (análise unidimensional de elementos finitos), podemos examinar a resposta transitória do sinal de saída versus valores de capacitância variáveis ​​em C3.

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equações diferenciais recursivasFigura 7 Usando a análise de equações diferenciais recursivas, podemos examinar a resposta transitória do sinal de saída versus valores de capacitância variáveis ​​em C3.

Escolhendo, por exemplo, um amplificador operacional com ganho DC de malha aberta de 100 dB, um polo de baixa frequência F1 de 10 Hz e um polo de alta frequência F2 de 4 MHz, obtemos uma frequência de crossover de ganho de unidade (0 dB) de 1 MHz. Quando deixamos C3 assumir vários valores diferentes, obtemos os seguintes resultados.

resposta de saídaFigura 8 Esta é a saída em resposta ao sinal de onda quadrada Ein.

Alguns anos atrás, tivemos um seminário aqui em Long Island, ministrado por Bob Pease, então da National Semiconductor, onde ele sugeriu o uso de um capacitor como o C3, recomendando um valor de 1000 pF. Eu levantei a questão de um capacitor desse tipo, possivelmente causando instabilidade de feedback devido à perda da margem da fase. “Estou feliz que você fez essa pergunta!”, Ele respondeu. Em seguida, ele reduziu a sugestão de 1000 pF para 100 pF.

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Mesmo assim, eu ainda não gostaria de fazer isso. É preferível encontrar maneiras de manter o EMI totalmente afastado do amplificador operacional em vez de tentar torná-lo imune aos efeitos de entrada do EMI usando um C3. Com a sugestão original de 1000 pF de Bob Pease, esse amplificador operacional não funcionaria bem. Com 100 pF seria melhor, mas meu senso pessoal é evitar o uso de qualquer C3.

Encontre outras maneiras de suprimir problemas de suscetibilidade a EMI.

John Dunn é consultor em eletrônica e formado pelo Instituto Politécnico do Brooklyn (BSEE) e pela New York University (MSEE).

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