boucle gain serpent

Méfiez-vous du gain de boucle


J'ai déjà abordé ce sujet, mais nous allons l'examiner un peu plus en profondeur cette fois. Tout d'abord, nous n'allons pas discuter de la situation de gain de boucle de Figure 1, même si essayer de faire face à un ampli op gênant peut se sentir un peu comme ça.

boucle gain serpentFigure 1 Ce n'est pas le sens du gain de boucle dont nous parlerons ici.

Au lieu de cela, nous examinerons un modèle d'amplificateur opérationnel simplifié avec la rétroaction totale d'un suiveur de tension à gain unitaire, comme on le voit dans Figure 2.

rétroaction du modèle d'ampli opFigure 2 Voyons ce modèle d'ampli-op simplifié avec un retour complet.

Chaque ampli op a au moins deux pôles dans sa réponse en fréquence. Un pôle est à basse fréquence, appelez cela F1, tandis qu'un deuxième pôle est à haute fréquence, appelez F2. En laissant C3 égal à zéro pour qu'il n'y ait pas de pôle à F3 et en utilisant des approximations en ligne droite, la courbe de décroissance de la fréquence de rétroaction totale pourrait ressembler à figure 3.

courbe d'atténuation de la fréquence de rétroactionfigure 3 Voici la courbe de réduction de la fréquence de rétroaction totale pour nos conditions.

Avec un pôle à F2 plus élevé en fréquence que la fréquence de coupure de 0 dB, la pente de ce rolloff à travers ce point de coupure sera très proche de -6 dB par octave. Dans cette condition, la marge de gain et la marge de phase seront bonnes et l'amplificateur sera non oscillatoire. Appelez cela «stable».

courbe de décroissance F2Figure 4 Si F2 tombe en dessous du point de croisement de 0 dB, la pente de rolloff à travers ce croisement approchera de -12 dB par octave.

Cependant, si le pôle de fréquence supérieure F2 n'est pas assez haute fréquence, si F2 tombe en dessous du point de croisement de 0 dB, la pente de rolloff à travers ce croisement approchera de -12 dB par octave. La marge de gain et la marge de phase seront médiocres et il en résultera très probablement une instabilité oscillatoire.

Nous, les barbes grises, nous nous souvenons comment l’amplificateur opérationnel Fairchild µA709 a été conçu de cette façon. Vous ne pouvez pas utiliser cet ampli op comme suiveur de tension à gain unitaire. L’appareil n’était pas «à gain unitaire stable». Le successeur de Fairchild du µA709 était le µA741, qui était gain unitaire stable.

Si nous remettons F2 en haut, mais introduisons le pôle F3 comme dans Figure 5, nous pouvons à nouveau obtenir une pente de -12 dB par octave à travers le point de croisement de 0 dB et les mêmes problèmes d'instabilité se poseront.

courbe de décroissance F3Figure 5 Mettre F2 haut et introduire le pôle F3 produit les mêmes problèmes d'instabilité.

Bien sûr, si nous introduisions F3 et mettons F2 à nouveau bas, la pente passant par le point de croisement de 0 dB serait de -18 dB par octave, auquel cas l'oscillation de l'ampli op serait absolument garantie de se produire. Pas besoin de faire un dessin pour ça!

Nous examinons maintenant les résultats pratiques de tout cela. Dans le circuit non inverseur de Figure 6, le circuit (a) montre un condensateur C3 connecté entre les entrées inverseuse et non inverseuse d'un ampli op et deux résistances fournissent la rétroaction.

circuit non inverseurFigure 6 Ce circuit non inverseur montre les résultats pratiques de tout cela.

En se référant à nouveau à la figure 6, nous pouvons laisser la variable R aller en circuit ouvert pour maximiser la rétroaction autour de la boucle et pour l'analyse de la stabilité de la boucle, nous pouvons déplacer C3 de l'impédance de source zéro de E1 à l'impédance de source zéro de la terre , comme en (b). En fixant arbitrairement une résistance de rétroaction R3 à 10K et en utilisant une analyse d'équation différentielle récursive (analyse par éléments finis unidimensionnels), nous pouvons examiner la réponse transitoire du signal de sortie par rapport aux valeurs de capacité variable à C3.

équations différentielles récursivesFigure 7 En utilisant une analyse d'équation différentielle récursive, nous pouvons examiner la réponse transitoire du signal de sortie par rapport aux valeurs de capacité variable à C3.

En choisissant par exemple un ampli op avec un gain DC en boucle ouverte de 100 dB, un pôle basse fréquence F1 de 10 Hz et un pôle haute fréquence F2 de 4 MHz, nous obtenons une fréquence de coupure de gain unitaire (0 dB) de 1 MHz. Lorsque nous laissons C3 prendre plusieurs valeurs différentes, nous obtenons les résultats suivants.

réponse de sortieFigure 8 Il s'agit de la sortie en réponse au signal carré Ein.

Il y a quelques années, nous avons eu un séminaire ici à Long Island donné par Bob Pease, alors de National Semiconductor, où il a suggéré d'utiliser un condensateur tel que C3, recommandant une valeur de 1000 pF. J'ai soulevé la question d'un tel condensateur pouvant provoquer une instabilité de rétroaction en raison de la perte de marge de phase. "Je suis content que vous ayez posé cette question!", A-t-il répondu. Il a ensuite abaissé la suggestion de 1000 pF à 100 pF.

Même alors, je ne voudrais toujours pas faire cela. Il est préférable de trouver des moyens de garder l'EMI loin de l'ampli opérationnel plutôt que d'essayer de le rendre immunisé contre les effets EMI entrants en utilisant un C3. Avec la suggestion originale de Bob Pease de 1000 pF, cet ampli op ne ferait pas bien. Avec 100 pF, cela ferait mieux, mais mon sens personnel est d'éviter d'utiliser tout C3.

Trouvez d'autres moyens de supprimer les problèmes de sensibilité aux EMI.

John Dunn est consultant en électronique et diplômé du Polytechnic Institute of Brooklyn (BSEE) et de la New York University (MSEE).

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