¿Qué implica el parámetro "margen de fase" de un amplificador operacional?

Question

Estaba leyendo la hoja de datos del MCP6072. Vi un parámetro llamado "margen de fase" (tabla 1-2, página 4). Hasta donde sé, "margen de fase" es un término de ingeniería de control, e implica la diferencia de fase entre la entrada y la salida cuando la ganancia es unitaria. No entiendo el significado de este término en la terminología de amplificadores operacionales. El margen de fase típico de este amplificador operacional se da como 57o. ¿Qué significa eso?

Answer 1

El margen de fase PM es una medida de la estabilidad de un sistema con retroalimentación. Y, por lo tanto, también se aplica a los amplificadores operacionales. El PM se define para la GANANCIA DEL LAZO del sistema - eso significa: abrir el lazo en un nodo adecuado y medir/simular la ganancia y la fase alrededor del lazo completo. Entonces, el PM es la DIFERENCIA entre la fase medida y -360 grados (eso significa: La "distancia" a la condición de oscilación, retroalimentación positiva) en la frecuencia que da ganancia unitaria al lazo. Sin tener en cuenta la inversión de fase en la entrada inversora, el PM es la "distancia" a -180 grados.

Ahora, para un amplificador operacional la situación más crítica surge para una retroalimentación del 100% (operación de ganancia unitaria). En este caso, el factor de retroalimentación es unitario y la ganancia del lazo es idéntica a la ganancia en lazo abierto Ao del amplificador operacional. Normalmente, solo esta condición se utiliza para especificar el PM en la hoja de especificaciones del amplificador operacional.

Resumen: El PM dado para un amplificador operacional es la DIFERENCIA entre el desfase del amplificador operacional y -180 grados en la frecuencia de ganancia unitaria.

Answer 2

Un amplificador operacional es un "sistema de control" y el margen de fase se define como la diferencia de -180 grados de la fase de la función de transferencia en lazo abierto cuando la magnitud es unitaria. Esto le permite predecir la estabilidad y la respuesta del sistema al cerrar el lazo con una cierta cantidad de retroalimentación.

Un amplificador operacional típicamente está compensado con un polo dominante, por lo que la función de transferencia es aproximadamente Ao/(1+s/wo) donde wo es la frecuencia del polo dominante y Ao es la ganancia de CC. Esto implica un margen de fase de 90 grados. En la práctica, la Ft de los transistores causa un desplazamiento de fase adicional y el polo dominante se ajusta para que el cruce de 0 dB ocurra con un margen de fase razonable.

Answer 3

El Margen de Fase es la cantidad de margen de desplazamiento de fase en ganancia unitaria que podría causar inestabilidad u oscilación.

90 grados es teóricamente ideal, 0 es inaceptable, 45 grados tendrá cierto sobrepaso, 60 grados es una solución práctica. El margen de fase muestra el compromiso entre el tiempo de subida y el sobrepaso.

Answer 4

Los amplificadores operacionales se utilizan con realimentación, lo que hace posible que puedan oscilar, ¡lo cual es malo a menos que estés diseñando un oscilador!

El margen de fase básicamente indica qué tan estable es el amplificador operacional, es decir, la distancia del ángulo de fase desde el punto de oscilación, en la configuración de la peor caso de ganancia unitaria.

La adición de capacitancia de entrada y salida no deseada, pero especialmente la capacitancia de carga, puede causar un desplazamiento de fase que reduce el margen de estabilidad.

Típicamente se agrega una resistencia pequeña a la salida para compensar una carga capacitiva "grande", pero esto, por supuesto, reduce la ganancia efectiva. La capacitancia de entrada suele ser menos problema, pero también puede ser compensada.

Muchos amplificadores operacionales están compensados internamente para condiciones de uso típicas, pero no todos lo están.