Estabilidad del circuito del amplificador operacional:
Ganancia de bucle y cambio de fase de bucle: considere el circuito amplificador de inversión y las formas de onda en la figura 15-1 (a). El voltaje de voltaje de señal (VS) se amplifica por un factor R2/R1, y la fase cambia a -180 °. La estabilidad del circuito del amplificador operacional se vuelve a dibujar en la Fig.
15-1 (b) para ilustrar el hecho de que el voltaje de salida (VO) está dividido por la red de retroalimentación para producir el voltaje de retroalimentación (v).
Para un voltaje de CA (v) en el terminal de entrada de inversión de amplificador OP [en la Fig. 15-1 (b)], la salida amplificada es VO = AVV, como se muestra. La salida se divide por el factor de retroalimentación [B = R1/(R1 + R2)], y se vuelve a comer a la entrada.
Puede ocurrir un cambio adicional de cambio de fase dentro del amplificador OP a altas frecuencias, y esto hace que V esté en fase con VO, como se ilustra. Por lo tanto, el voltaje de retroalimentación puede ser exactamente igual a y en fase con el voltaje (v) en la entrada invertida.
En este caso, el circuito está suministrando su propio voltaje de entrada de CA, y existe un estado de oscilación continua
Debido a la red de retroalimentación, las oscilaciones de alta frecuencia pueden ocurrir en muchos circuitos de amplificadores operativos, y cuando esto sucede, el circuito se denomina inestable. Las medidas tomadas para combatir la estabilidad del circuito del amplificador operacional se denominan compensación de frecuencia.
Dos condiciones normalmente tienen que cumplirse para que un circuito oscile; La ganancia de bucle debe ser igual o mayor que 1, y el cambio de fase de bucle debe ser igual a 360 °.
La ganancia de bucle es la ganancia de voltaje alrededor del bucle desde el terminal de entrada de inversión hasta la salida del amplificador, y vuelve a la ruta ‘a través de la red de retroalimentación.
El cambio de fase de bucle es el cambio de fase total alrededor del bucle desde el terminal de entrada de inversión a la salida del amplificador y volver a la entrada a través de la red de retroalimentación.
La ganancia del terminal de entrada de inversión a la salida es la ganancia de circuito abierto (AV) de OP-Amp. Para la red de retroalimentación, la ganancia de la salida del amplificador a la entrada es en realidad una atenuación. Entonces,
Suponiendo que la red de retroalimentación es puramente resistiva, no agrega nada al cambio de fase de bucle. El cambio de fase de bucle es esencialmente el cambio de fase del amplificador. El cambio de fase del terminal de entrada de inversión a la salida es normalmente -180 °.
(La salida se hace negativa cuando la entrada es positiva, y viceversa). A altas frecuencias hay un cambio de fase adicional causado por capacitancias del circuito, y el total puede acercarse a -360 °. Cuando esto ocurre, el circuito está prácticamente seguro de oscilar.
La mayoría de los amplificadores operativos disponibles actualmente tienen componentes de compensación interna para prevenir oscilaciones. En algunos casos, los compensantes compensantes deben conectarse externamente para estabilizar un circuito.
Ganancia no compensada y respuesta de fase:
En la figura 15-2 se muestra una aproximación en línea recta del gráfico de respuesta de ganancia/frecuencia para un amplificador operativo típico sin compensación de compensación.
Tenga en cuenta que la ganancia general de voltaje de circuito abierto (AV) inicialmente se cae (desde su nivel de 100 dB) a 6 dB/octava (-20 dB/década) de FP1 (frecuencia del polo #1).
De FP2, la tasa de disminución es de 12 dB/octava (-40 dB/década), y de FP3, la tasa de caída de AV es de 18 dB/octava (-60 dB/década).
El gráfico de respuesta de fase/frecuencia en la Fig. 15-2 muestra que el cambio de fase (θ) es de aproximadamente -45 ° en FP1, -135 ° en FP2 y -225 ° en FP3.
Este cambio de fase de circuito abierto se suma al cambio de fase de -180 ° que normalmente ocurre desde el terminal de entrada de inversión de amplificador OP a la salida.
Por lo tanto, el cambio de fase de bucle total ((Øl) en FP1 es (-45 ° -180 °) = -225 °; en FP2, Øl = (-135 ° -180 °) = -315 °; y en FP3, Øl = (-225 ° -180 °) = -405 °.
Como ya se discutió, las oscilaciones ocurren cuando la ganancia del bucle es igual o excede 1 y el cambio de fase de bucle es de 360 °. De hecho, el cambio de fase no tiene que ser exactamente 360 ° para que ocurra la oscilación. Un cambio de fase de 330 ° en AVB = 1 hace que el circuito sea inestable.
Para evitar oscilaciones, el cambio de fase de bucle total no debe ser superior a 315 ° cuando AVB = 1. La diferencia entre 360 ° y el cambio de fase de bucle real en AVB = 1 se conoce como el margen de fase (Øm). Por lo tanto, para la estabilidad del circuito del amplificador operacional, el margen de fase debe ser un mínimo de,
Ganancia compensada de OP-APP y respuesta de fase:
Las respuestas de ganancia/frecuencia de circuito abierto y fase/frecuencia para dos amplificadores operativos compensados internamente se muestran en las Figs. 15-3 y 15-4. Los 741 gráficos de respuesta de frecuencia en la Fig.
15-3 muestra que la ganancia comienza en 100 dB y cae en 20 dB/década en la mayor parte de su rango de frecuencia. El cambio de fase permanece -90 ° o menos para la mayor parte del rango de frecuencia. La ganancia de circuito abierto cae a 1 (0 dB) a una frecuencia de aproximadamente 800 kHz.
El 741 se conoce como un amplificador operativo de propósito general para su uso en aplicaciones de frecuencia relativamente baja.
La respuesta de frecuencia AD843 en la Fig. 15-4 muestra una ganancia de circuito abierto de 90 dB a bajas frecuencias, cayendo a 20 dB por década a 34 MHz en AV = 1. En lugar del cambio de fase de circuito abierto, el margen de fase se traza versus frecuencia.
El margen de fase está cerca de 90 ° en gran parte del rango de frecuencia, comienza a ser más pequeño alrededor de 3.4 MHz y cae a aproximadamente 40 ° a F = 34 MHz.
Estabilidad y ganancia del amplificador:
La ganancia de voltaje general de un amplificador con retroalimentación negativa es,
y la ganancia de bucle es,
Entonces, la ganancia de bucle (AVB) es igual a 1 cuando
Esta es una de las condiciones requeridas para la oscilación del circuito. Para determinar si la oscilación ocurrirá en un circuito dado, es necesario encontrar primero la frecuencia a la que ACL ≈ AV, luego determine el margen de fase OP-APP a esa frecuencia.
Se demostró que un circuito con la respuesta de frecuencia en la Fig. 15-6 y con ACL = 50 dB era inestable. Si el amplificador tenía ACL = 70 dB, la reconsideración muestra que es estable.
Es decir, es más probable que un amplificador con una alta ganancia de circuito cerrado sea estable que uno con la ganancia más baja. Los amplificadores de baja ganancia son más difíciles de estabilizar que los circuitos de alta ganancia.
El seguidor de voltaje (con una ganancia de circuito cerrado de 1) puede ser uno de los circuitos más difíciles para estabilizarse.
Se especifican que algunos amplificadores operacionales compensados internamente son estables a las ganancias de circuito cerrado tan bajas como 5. En este caso, los componentes de compensación externos deben usarse con circuitos de ganancia más bajos.