Cosa c'è di speciale in "unità di guadagno stabile"?

Come menzionato nei fogli dati Opamp, come questo . Penso che la stabilità sia un problema a guadagni più elevati, a causa delle oscillazioni. Quali sono i problemi con il guadagno unitario?

La stabilità non dipende solo dal guadagno, ma anche dalla fase. Se un amplificatore invertente ha uno sfasamento totale di 180 ° lo sfasamento totale è di 360 ° e viene soddisfatto uno dei criteri di Barkhausen per l'oscillazione.

Gli amplificatori differiscono nella loro capacità di essere stabili anche se i circuiti esterni sono ottimali. Per valutare il potenziale di stabilità per un particolare tipo di amplificatore, sono necessari dati grafici sia per "guadagno contro frequenza" sia per "fase vs frequenza" dell'amplificatore ad anello aperto. Se la risposta di fase mostra! 180E a una frequenza in cui il guadagno è superiore all'unità, il feedback negativo diventerà feedback positivo e l'amplificatore subirà effettivamente un'oscillazione. Anche se il ritardo di fase è inferiore a! 180E e non vi sono oscillazioni sostenute, si verificherà un superamento e la possibilità di scoppi di oscillazione innescati da fonti di rumore esterne, se la risposta di fase non è "sufficientemente inferiore" di -180 ° per tutte le frequenze dove il guadagno è al di sopra dell'unità. Il "sufficientemente meno" margine di fase . Se la risposta di fase è -135 °, il margine di fase è 45 ° (la quantità "inferiore a" -180 °). In realtà, il margine di fase di interesse per valutare il potenziale di stabilità deve includere anche la risposta di fase del circuito di retroazione . Quando questo margine di fase combinato è di 45 ° o più, l'amplificatore è abbastanza stabile. Il numero 45 ° è un valore di "regola empirica" ​​e un maggiore margine di fase produrrà una stabilità ancora migliore e un minor superamento.

Spesso, ma non sempre, il margine di fase più basso è alla frequenza più alta che ha un guadagno sopra l'unità; perché c'è sempre qualche ritardo indipendente dalla frequenza che rappresenta più gradi a frequenze più alte. Un amplificatore con margine di fase 45E alla frequenza più elevata di guadagno ad anello aperto di unità si dice che sia "guadagno unità stabile". Opzionalmente, la maggior parte dei tipi di amplificatore può essere compensata per la stabilità del guadagno unitario con un certo sacrificio nella velocità di risposta o nel rumore ad alta frequenza. Se la stabilità è considerata prioritaria, è necessario effettuare il compromesso. Guadagno unitario stabile significa funzionamento stabile con il guadagno ad anello chiuso più basso dove la stabilità è generalmente peggiore.

(da qui )

Ulteriori letture
Perché Unity Feedback è più difficile per la stabilità?

Il guadagno unitario si ottiene applicando il 100% di feedback a un amplificatore ad alto guadagno. Ci sarà uno sfasamento tra ingresso e uscita e si verificherà un'oscillazione quando lo sfasamento è uguale o superiore a 180 gradi a qualsiasi frequenza in cui il guadagno ad anello aperto è maggiore dell'unità (in realtà sempre in pratica in un intervallo di frequenze).

La situazione di guadagno elevato dell'unità è circa la più difficile in cui evitare una certa frequenza (di solito nella parte superiore della gamma di risposta) con sfasamento di 180 gradi.

In pratica "poco meno di 180 gradi" non è abbastanza buono poiché gli amplifer che si avvicinano all'oscillazione "suoneranno" e produrranno una risposta transitoria indesiderata su fronti veloci o su segnali con componenti a frequenza più alta. Pertanto, è richiesto un grado di "margine di fase", in modo che lo sfasamento nel sistema sia ben libero di 180 gradi a tutte le frequenze che possono essere incontrate, al fine di mantenere l'amplificatore lontano dalle aree in cui inizia a comportarsi male.

Utile Jensen AN001 - Alcuni consigli per stabilizzare gli amplificatori operazionali

Il feedback negativo stabilizza gli amplificatori mentre il feedback positivo li destabalizza.

A causa della resistenza parassita e della capacità, un amplificatore finisce inevitabilmente per fungere da filtro passa-basso. Ciò significa che oltre all'attenuazione c'è uno spostamento di fase. Maggiore è il numero di stadi di un amplificatore, maggiore è il potenziale per gli sfasamenti.

La risposta in frequenza di un amplificatore con due o più stadi (cioè praticamente tutti gli op-amp) conterrà più frequenze di interruzione. Intorno a ciascuna frequenza di interruzione aumenta lo sfasamento. Dopo la prima frequenza di interruzione ci sono circa 90 gradi di sfasamento, dopo la seconda frequenza di interruzione ci sono circa 180 gradi di sfasamento (e così via, ma ci preoccupiamo solo dei primi due).

Uno sfasamento di 180 gradi trasforma il feedback negativo in feedback positivo. Questo é un problema. Se il "guadagno ad anello" del percorso di feedback in quel punto è uno o più di quello che l'amplificatore oscilla.

Quindi dobbiamo progettare i nostri amplificatori in modo che il guadagno nel circuito di retroazione scenda a meno di uno prima che venga raggiunta la seconda frequenza di interruzione. I produttori di OP-AMP lo fanno aggiungendo deliberatamente capacità (nota come "compensazione") ai loro amplificatori per ridurre la frequenza del primo breakpoint e quindi ridurre il guadagno al secondo breakpoint. Naturalmente questo riduce la larghezza di banda del nostro amplificatore.

Ma il guadagno nel circuito di retroazione dipende non solo dall'amplificatore ma anche dal divisore di retroazione. Maggiore è il guadagno ad anello chiuso dell'amplificatore, minore è il guadagno nel circuito di retroazione. L'amplificatore di guadagno unitario non invertente è il caso peggiore in quanto restituisce il 100% dell'uscita all'ingresso. Quindi gli amplificatori a basso guadagno hanno bisogno di una grande capacità di compensazione rispetto a quelli ad alto guadagno.

Quindi i produttori di amplificatori operazionali ad alta velocità ti offrono la scelta. A volte questo viene fatto avendo diversi modelli di amplifer per applicazioni a basso e alto guadagno. A volte (ad esempio su AD8021) questo viene fatto montando il condensatore di compensazione esternamente.