Añadiendo filtrado a un lazo de realimentación de un amplificador operacional

Question

Estoy simulando un circuito basado en el amplificador operacional OPA3355 utilizando TINA-TI. Se deben tener en cuenta las advertencias obvias sobre la simulación, pero este es un amplificador de TI en un programa de TI, así que espero que los resultados sean en su mayoría precisos.

El esquemático a continuación se basa en el circuito más simple de "Desmitificando el diseño de amplificadores operacionales de fuente simple" (como se detalla en el artículo, hay mejoras que podría hacer al diseño de fuente simple).

El análisis transitorio se ve bien con una alta ganancia como se esperaba, la señal de entrada es de 5Mhz y la salida está centrada de forma agradable alrededor de la mitad de la fuente.

Sin embargo, al colocar el capacitor en el bucle de retroalimentación obtengo resultados interesantes de una gráfica de las características de transferencia de AC. Comencé eligiendo R2 para la ganancia deseada, luego establecí C1 en un valor estándar para obtener un pico alrededor de 5Mhz.

¿Al construir el bucle de retroalimentación de esta manera y aplicar la ganancia máxima solo a la frecuencia de interés, es esta una buena manera de incorporar algo de filtrado en el circuito de amplificación? ¿O he simulado mágicamente algo que es un mal diseño en la vida real?

Answer 1

Los resultados mostrados en el diagrama de Bode son razonables y probablemente precisos.

Aquí está la respuesta de Bode que obtuve con un modelo rápido de operacional de nivel 1 del OPA3355.

Muestra un Q ligeramente más alto que su resultado, pero no puse esfuerzo en la impedancia de salida del modelo del operacional. Un modelo más realista reduciría el Q.

R1 y C1 se combinan para formar un cero en aproximadamente 120kHz, causando que la ganancia empiece a subir ahí. La ganancia sigue subiendo a 20dB/década como se espera hasta que choca con el límite de ancho de banda de ganancia del OPA3355 (que solo tiene una ganancia de 20dB a 10MHz). El polo y el cero interactúan de manera activa, lo que se manifiesta como una reversión de ganancia de alto Q. Esto generalmente se considera algo malo, que debe evitarse. La relación de tierra virtual se desmorona donde el cero y el límite de ancho de banda interactúan, ya que no hay ganancia para hacer que funcione.

Editar: Por qué esto podría ser un problema.

Las dos aplicaciones principales para los operacionales son en bucles de control para estabilidad y como filtros activos para procesamiento de señales. Ambas áreas necesitan una colocación precisa de ceros y polos, y control de ganancia. Ninguna de estas características se puede controlar con los parámetros crudos de los operacionales, sino que deben mejorarse con realimentación. Una vez que la ganancia cruda del operacional excede la ganancia de la aplicación en menos de aproximadamente 20dB, los beneficios de la realimentación se descomponen y el amplificador puede no responder como se espera. Sin márgenes de realimentación adecuados, la respuesta del amplificador podría ser no lineal e inestable.

En este caso, por ejemplo, la ubicación del pico de respuesta depende de la ganancia cruda en lazo abierto. La ganancia en lazo abierto puede variar fácilmente en 10dB en diferentes condiciones y unidades (operacionales). La ganancia en lazo abierto típica para el OPA3355 es de 92dB con un mínimo de 80dB. Por lo tanto, se tendría que considerar el impacto que esa variación de 10+dB tendría en la ubicación del pico (en ganancia y frecuencia). La mayoría de las aplicaciones tendrían requisitos más estrictos de los que permitirían ese tipo de variación. Nada de esto significa que agregar aproximadamente 20dB de ganancia en una respuesta de amplificador esté mal. De hecho, es común tener ceros colocados para aumentar la ganancia. Pero estos se hacen con un margen de ganancia adecuado, y los efectos de esos ceros se eliminan colocando polos a frecuencias más altas para cumplir con el margen de ganancia. Para este circuito, un aumento de ganancia de aproximadamente 15dB podría manejarse con suficiente margen de ganancia al agregar dos polos para limitar el efecto del cero. Uno de los polos ya está allí por R2 y C1 (no se ve porque la frecuencia es demasiado alta). Un segundo polo podría añadirse con un condensador pequeño en paralelo con R1. Estos polos deberían reducir la ganancia del amplificador a 0dB a aproximadamente 10MHz.

Es posible que la ganancia de baja frecuencia de -6dB sea el resultado de una impedancia de fuente de 52 Ohmios para Vin con una resistencia en paralelo de 52 Ohmios (R5).