Pytanie: Stabilność w pełni różnicowego wzmacniacza o sprzężeniu napięciowym wydaje się zależeć bardzo mocno od wartości rezystora włączonego w sprzężeniu zwrotnym. Zmiana jego rezystancji wpływa na stabilność działania układu, mimo, że stosunek $${R_{F}}\over{R_{G}}$$ ciągle jest taki sam. Co się dzieje?
Odpowiedź: Kiedy sygnał analogowy wymaga wzmocnienia, to wzmacniacz jest komponentem pierwszego wyboru. Stosunek wartości rezystorów w dzielniku pętli sprzężenia $$R_{F}$$ i $$R_{G}$$ i w pełni różnicowy wzmacniacz określają wzmocnienie całego układu. Gdy stosunek ten jest ustalony, musimy dobrać wartość $$R_F$$ lub $$R_G$$. Wybór wartości rezystora $$RF$$ może mieć ogromny wpływ na stabilność całego wzmacniacza.
Wewnętrzna pojemność wejściowa wzmacniacza, którą odnaleźć można w karcie katalogowej układu, wraz z rezystancją $$R_F$$ tworzą filtr dolnoprzepustowy wprowadzając dodatkowy biegun w funkcji transmitancji układu. Jeśli rezystancja $$R_F$$ jest zbyt duża, to biegun ten może mieć wpływ na stabilność całego układu. Jeśli biegun w obwodzie sprzężenia wypada na częstotliwości o wiele wyższej niż granica pasma użytego wzmacniacza, to nie ma problemu, ale jeśli wypada blisko jego częstotliwości granicznej, to redukuje się nam margines fazy, co może prowadzić do niestabilności układu. Częstotliwość bieguna opisana jest równaniem:
Gdzie $$C_{in}$$ to wewnętrzna wejściowa pojemność wzmacniacza.
Rysunek 1 pokazuje wyniki eksperymentalne dla sygnału o małej amplitudzie - na rysunku znajdziemy wzmocnienie w funkcji częstotliwości sygnału dla wzmacniacza ADA4807-1 z napięciowym sprzężeniem zwrotnym, w konfiguracji nieodwracającej, ze wzmocnieniem równym dwa i różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym - 499 omów , 1 k i 10 k. Karta katalogowa rekomenduje wykorzystanie tej pierwszej wartości.
Silne podbicie wzmocnienia dla jednej częstotliwości na charakterystyce częstotliwościowej wskazuje na niestabilność układu. Zwiększenie wartości $$R_F$$ z 499 omów do 1 k zwiększa to podbicie w sposób marginalny. Oznacza to, że wzmacniacz ma jeszcze wystarczający zapas fazy by pozostawać stabilnym. Inaczej sprawa się ma w przypadku $$R_F$$ wynoszącego 10 k. Silne podbicie wzmocnienia dla pewnej częstotliwości oznacza potencjalną niestabilność układu i możliwość wystąpienia oscylacji, a taka sytuacja nie jest pożądana.
Rysunek 1. Wyniki pomiarów układu z różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym: 499 omów, 1 k, 10 k.
$$V_{S}$$ =+/-5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
($$V_s$$ - napięcia zasilania wzmacniacza, $$R_{load}$$ - rezystancja obciążenia wzmacniacza, nie pokazana na schematach)
Rysunek 2. Wyniki symulacji SPICE wykorzystujące model układu ADA4807 z różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym: 499 omów, 1 k oraz 10 k.
$$V_{S}$$ = +/- 5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
Oczywiście laboratoryjne sprawdzanie układu nie jest obligatoryjnie konieczne dla wykrycia potencjalnych niestabilności. Rysunek 3 pokazuje wyniki symulacji programem SPICE, z tymi samymi wartościami opornika $$R_{F}$$ = 499 omów, 1 k oraz 10 k. Przebiegi pokazane na rysunku 3 to odpowiedź układu na pobudzenie sygnałem prostokątnym, pokazujące wpływ wartości $$R_F$$ na stopień niestabilności układu wzmacniacza.
Jak sobie z tym poradzić? Wystarczy wprowadzić do transmitancji układu dodatkowe zero przez dodanie równolegle do rezystora $$R_F$$ niewielkiej pojemności. Wyniki działania takiego układu pokazano na rysunku 4.
Rysunek 3. Odpowiedź impulsowa wyznaczona z wykorzystaniem modelu SPICE układu ADA4807 z różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym: 499 omów, 1 k, 10 k.
$$V_{S}$$ = +/-5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
Rysunek 4. Odpowiedź impulsowa układów z rys.3 po dodaniu równolegle z $$R_{F}$$ pojemności $$C_{F}$$ = 3,3 pF. $$R_{F}$$ = 499 omów, 1 k, 10 k.
$$V_{S}$$ = +/-5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
Podczas wyboru rezystora sprzężenia zwrotnego należy znaleźć złoty środek pomiędzy: wydzielaną na nim mocą, pasmem pracy układu i stabilnością wzmacniacza. Jeżeli czynnikiem krytycznym jest moc wydzielana na tym rezystorze, a wartość zalecana w karcie katalogowej nie może być użyta lub musi być większa, to
opcją jest zbocznikowanie rezystora $$R_F$$ pojemnością. Uzyskamy wtedy stabilność układu kosztem zawężenia jego pasma przenoszenia.
Jeżeli szybkość układu jest parametrem krytycznym projektu, to zaleca się użyć wartości zalecanych w karcie katalogowej wzmacniacza.
Ignorowanie wpływu wartości rezystora $$R_{F}$$ na stabilność, pasmo i wydzielane moce może doprowadzić do ograniczenia możliwości układu i nie uzyskania jego pełnych możliwości.
Źródło: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-10/raq_122.html
Od redaktora - zacząłem korzystać z znaczników TeX-a do formatowania matematyki w tekście, proszę czytających o opinie (na PW lub ew. tutaj jak to wygląda w odbiorze).
Odpowiedź: Kiedy sygnał analogowy wymaga wzmocnienia, to wzmacniacz jest komponentem pierwszego wyboru. Stosunek wartości rezystorów w dzielniku pętli sprzężenia $$R_{F}$$ i $$R_{G}$$ i w pełni różnicowy wzmacniacz określają wzmocnienie całego układu. Gdy stosunek ten jest ustalony, musimy dobrać wartość $$R_F$$ lub $$R_G$$. Wybór wartości rezystora $$RF$$ może mieć ogromny wpływ na stabilność całego wzmacniacza.
Wewnętrzna pojemność wejściowa wzmacniacza, którą odnaleźć można w karcie katalogowej układu, wraz z rezystancją $$R_F$$ tworzą filtr dolnoprzepustowy wprowadzając dodatkowy biegun w funkcji transmitancji układu. Jeśli rezystancja $$R_F$$ jest zbyt duża, to biegun ten może mieć wpływ na stabilność całego układu. Jeśli biegun w obwodzie sprzężenia wypada na częstotliwości o wiele wyższej niż granica pasma użytego wzmacniacza, to nie ma problemu, ale jeśli wypada blisko jego częstotliwości granicznej, to redukuje się nam margines fazy, co może prowadzić do niestabilności układu. Częstotliwość bieguna opisana jest równaniem:
$$f = {{1}\over{1\pi R_{F} C_{in}}}$$
Gdzie $$C_{in}$$ to wewnętrzna wejściowa pojemność wzmacniacza.
Rysunek 1 pokazuje wyniki eksperymentalne dla sygnału o małej amplitudzie - na rysunku znajdziemy wzmocnienie w funkcji częstotliwości sygnału dla wzmacniacza ADA4807-1 z napięciowym sprzężeniem zwrotnym, w konfiguracji nieodwracającej, ze wzmocnieniem równym dwa i różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym - 499 omów , 1 k i 10 k. Karta katalogowa rekomenduje wykorzystanie tej pierwszej wartości.
Silne podbicie wzmocnienia dla jednej częstotliwości na charakterystyce częstotliwościowej wskazuje na niestabilność układu. Zwiększenie wartości $$R_F$$ z 499 omów do 1 k zwiększa to podbicie w sposób marginalny. Oznacza to, że wzmacniacz ma jeszcze wystarczający zapas fazy by pozostawać stabilnym. Inaczej sprawa się ma w przypadku $$R_F$$ wynoszącego 10 k. Silne podbicie wzmocnienia dla pewnej częstotliwości oznacza potencjalną niestabilność układu i możliwość wystąpienia oscylacji, a taka sytuacja nie jest pożądana.
Rysunek 1. Wyniki pomiarów układu z różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym: 499 omów, 1 k, 10 k.
$$V_{S}$$ =+/-5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
($$V_s$$ - napięcia zasilania wzmacniacza, $$R_{load}$$ - rezystancja obciążenia wzmacniacza, nie pokazana na schematach)
Rysunek 2. Wyniki symulacji SPICE wykorzystujące model układu ADA4807 z różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym: 499 omów, 1 k oraz 10 k.
$$V_{S}$$ = +/- 5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
Oczywiście laboratoryjne sprawdzanie układu nie jest obligatoryjnie konieczne dla wykrycia potencjalnych niestabilności. Rysunek 3 pokazuje wyniki symulacji programem SPICE, z tymi samymi wartościami opornika $$R_{F}$$ = 499 omów, 1 k oraz 10 k. Przebiegi pokazane na rysunku 3 to odpowiedź układu na pobudzenie sygnałem prostokątnym, pokazujące wpływ wartości $$R_F$$ na stopień niestabilności układu wzmacniacza.
Jak sobie z tym poradzić? Wystarczy wprowadzić do transmitancji układu dodatkowe zero przez dodanie równolegle do rezystora $$R_F$$ niewielkiej pojemności. Wyniki działania takiego układu pokazano na rysunku 4.
Rysunek 3. Odpowiedź impulsowa wyznaczona z wykorzystaniem modelu SPICE układu ADA4807 z różnymi opornikami w sprzężeniu zwrotnym: 499 omów, 1 k, 10 k.
$$V_{S}$$ = +/-5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
Rysunek 4. Odpowiedź impulsowa układów z rys.3 po dodaniu równolegle z $$R_{F}$$ pojemności $$C_{F}$$ = 3,3 pF. $$R_{F}$$ = 499 omów, 1 k, 10 k.
$$V_{S}$$ = +/-5 V, $$V_{OUT}$$ = 40 mVp-p, $$R_{LOAD}$$ = 1 k, G = 2.
Podczas wyboru rezystora sprzężenia zwrotnego należy znaleźć złoty środek pomiędzy: wydzielaną na nim mocą, pasmem pracy układu i stabilnością wzmacniacza. Jeżeli czynnikiem krytycznym jest moc wydzielana na tym rezystorze, a wartość zalecana w karcie katalogowej nie może być użyta lub musi być większa, to
opcją jest zbocznikowanie rezystora $$R_F$$ pojemnością. Uzyskamy wtedy stabilność układu kosztem zawężenia jego pasma przenoszenia.
Jeżeli szybkość układu jest parametrem krytycznym projektu, to zaleca się użyć wartości zalecanych w karcie katalogowej wzmacniacza.
Ignorowanie wpływu wartości rezystora $$R_{F}$$ na stabilność, pasmo i wydzielane moce może doprowadzić do ograniczenia możliwości układu i nie uzyskania jego pełnych możliwości.
Źródło: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-10/raq_122.html
Od redaktora - zacząłem korzystać z znaczników TeX-a do formatowania matematyki w tekście, proszę czytających o opinie (na PW lub ew. tutaj jak to wygląda w odbiorze).
Fajne? Ranking DIY
