¿Cómo corregir la inestabilidad del seguidor de voltaje del op-amp?

Question

Estoy usando una serie de amplificadores operacionales de alimentación única (OPA4344) en un circuito, y estoy utilizando uno de ellos para suministrar un valor VCC/2 como tierra virtual al lado + de varios otros amplificadores operacionales.

VCC es +5 voltios. Cuando enciendo la placa por primera vez, obtengo 2.5v del voltaje de salida, pero después de un tiempo el voltaje salta a alrededor de 4.5 voltios y se mantiene allí hasta que vuelvo a encender y apagar.

Leí aquí que:

Debido a la fuerte retroalimentación (es decir, ganancia unitaria) y ciertas características no ideales de los amplificadores operacionales reales, este sistema de retroalimentación tiende a tener malos márgenes de estabilidad. En consecuencia, el sistema puede ser inestable cuando se conecta a cargas suficientemente capacitivas. En estos casos, se puede usar una red de compensación de retardo (por ej., conectando la carga al seguidor de voltaje a través de una resistencia) para restaurar la estabilidad.

Como pueden ver, ya estoy utilizando una resistencia en la salida. La hoja de datos del 4344 (referenciada anteriormente) afirma que el amplificador operacional es "estable en ganancia unitaria".

¿Hay algo más que pueda estar causando la inestabilidad? ¿Necesito una resistencia separada para cada salida (actualmente los terminales + de tres amplificadores operacionales están conectados a VOUT)?

Answer 1

VCC es de +5 voltios. Cuando enciendo la placa por primera vez, obtengo 2.5v en la salida, pero después de un tiempo la salida salta a alrededor de 4.5 voltios y se mantiene ahí hasta que apago y vuelvo a encender.

Al principio pensé que esto suena como un caso de inversión de fase fuera del rango de entrada de modo común (que para el OPA344 es de -0.1V a (Vcc - 1.5V = 3.5V en tu caso). Es más raro en estos días, pero algunos op-amps muestran inversión de ganancia cuando están fuera de su rango de modo común, causando una condición efectiva de bloqueo. Para un op-amp con inversión de fase, siempre que te mantengas dentro del rango de modo común, deberías estar bien, pero si alguna vez se sale de ese rango, no hay garantía de que funcione correctamente.

Pero la hoja de datos del OPA334 dice esto:

Los amplificadores operacionales de la serie OPA334 y OPA335 son estables en ganancia unitaria y libres de inversión de fase inesperada en la salida. Utilizan técnicas de auto-cero para proporcionar un voltaje de offset bajo y una deriva muy baja a lo largo del tiempo y la temperatura.

Así que en este punto nos quedan un par de cosas para probar, asumiendo que puedas reproducir fácilmente este problema.

1. Verificar todos los voltajes de los pines del amplificador operacional con un osciloscopio. Asegúrate de que Vcc y Vss sean los que esperas, y verifica si el pin + del op-amp es el 2.5V que esperas.

2. Agrega un condensador (100-1000pF) entre el op-amp + y tierra. Deberías estar haciendo esto de todos modos para mantener baja la impedancia del nodo del divisor de voltaje a altas frecuencias para que no capte ruido. Si esto soluciona el problema, es posible que te encuentres con rectificación de RF (si este es el caso, me sorprende, pero es posible) donde el op-amp se comporta de forma lineal con señales de baja frecuencia, pero se comporta de forma no lineal como un rectificador con señales de alta frecuencia y convierte AC en un sesgo de CC.

3. Agrega un condensador de derivación a través de la alimentación del op-amp. (el ruido de la alimentación no debería hacer tanta diferencia, pero nunca se sabe)

4. Reemplaza el op-amp por otro del mismo modelo: el que está en la placa podría estar dañado.

Si todo sigue pareciendo bien, entonces tienes un verdadero rompecabezas.

Answer 2

Coloca una resistencia en serie con la retroalimentación que has proporcionado. En otras palabras, elimina el conductor de resistencia cero de la salida a la entrada negativa y coloca una resistencia de bajo valor, digamos unos 2.2k. Con suerte, esto resolverá el problema.

Esta resistencia junto con la capacitancia de entrada del amplificador forma una especie de compensación que asegura que las oscilaciones de alta frecuencia sean bloqueadas. Si se reduce la ganancia de alta frecuencia, el criterio de Barkhausen no puede ser satisfecho y por lo tanto no habrá oscilaciones. Estas oscilaciones son a una frecuencia tan alta que terminan siendo rectificadas por las no linealidades en el amplificador operacional y el voltaje DC resultante da el efecto que ves.

Answer 3

Me encontré con un problema similar con varios op-amp como AD712 en particular cuando intenté simplemente construir un circuito seguidor de voltaje con él. Tenga en cuenta que el AD712 es estable en ganancia unitaria según su propia hoja de datos:

CARACTERÍSTICAS
[...]
Rendimiento AC
Se estabiliza en ±0.01% en 1.0 μs
Slew rate mínimo de 16 V/μs (AD712J)
3 MHz de ancho de banda de ganancia unitaria mínimo (AD712J)

La tercera sección de la primera página de la hoja de datos indica:

La combinación de excelente rendimiento de ruido y baja corriente de entrada también hacen que el AD712 sea útil para preamplificadores de fotodiodo. El rechazo de modo común de 88 dB y la ganancia de lazo abierto de 400 V/mV garantizan un rendimiento de 12 bits incluso en circuitos de búfer de ganancia unitaria de alta velocidad.

¡La hoja de datos incluso sugiere un circuito seguidor de ganancia unitaria y muestra su rendimiento en la página 9!
¡Ay! ¡Implementar el mismo circuito me dio una oscilación de ~5 V a ~2.8 MHz cuando la entrada no inversora del op-amp estaba conectada a tierra. Cuando la entrada no inversora se dejaba libre, la salida rápidamente derivaba al riel negativo.

La única solución que estabilizó la salida fue agregar una resistencia bastante pequeña (50 Ω) entre la salida y la entrada inversora del op-amp como sugirió el Dr.V.S.V.Mani en otra respuesta. Aunque no me queda claro cómo esta solución afecta el rendimiento del circuito o su impedancia de salida.