Amplificador Operacional (II) Vicente Baena

Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado Repasar los conceptos: Sistemas lineales Sistemas realimentados Ganancia y frecuencia de corte de un sistema Criterios de estabilidad: Margen de fase Frecuencia de ganancia unidad Producto ganancia ancho de banda Respuesta en frecuencia de un circuito

Amplificador en bucle abierto Elevada ganancia No linealidad, el amplificador satura enseguida Ancho de banda pequeño Se define el producto ganancia ancho de banda como: GBP = A0·f3dB Para un sistema de primer orden (un único polo) el valor del GBP coincide con el valor de la frecuencia de ganancia unidad (UGF)

Amplificador en bucle cerrado La realimentación negativa reduce la ganancia Mayor linealidad La frecuencia de corte aumenta La UGF no varía (si la ganancia sigue siendo mayor que la unidad) En un sistema de primer orden el GBP en bucle cerrado es el mismo que el GBP en bucle abierto

Estabilidad Las realimentaciones pueden introducir inestabilidad Debido al desfase introducido por el sistema la realimentación que en principio era negativa puede transformarse en positiva ¿Cómo predecir la estabilidad del sistema al cerrar el bucle? Margen de fase: MF = 180 – Φ(UGF) Se mide sobre la respuesta en frecuencia en bucle abierto Si MF < 0 el sistema será inestable Como criterio de diseño se suele buscar un MF de 70º

Respuesta en frecuencia Para medir el margen de fase necesitamos conocer la localización exacta de los polos del circuito Método de las constantes de tiempo Calcular a1= ΣRkCk=(1/fp1) + (1/fp2)+ (1/fp2) +.... Si existe un polo dominante, la frecuencia de corte del circuito vendrá determinada por la inversa de a1: a1≈1/fpd Tedioso de aplicar en circuitos grandes Simplificación: Si existe un polo dominante, existe un nodo con una Req y una Ceq muy elevada comparada con el resto del circuito Cuidado, los resultados numéricos sólo son válidos si existe polo dominante ¿Cómo encontrar ese nodo?

Respuesta en frecuencia Recordatorio de circuitos MOS: Capacidades en un MOS en saturación: Cgs = (2/3) W·L·C’ox Cgd ≈ Csb ≈ Cdb ≈ 0 Resistencias Resistencia de salida de una etapa en fuente común ≈ ro Resistencia equivalente de un transistor configurado como diodo ≈ 1/gm Resistencia equivalente de un transistor en puerta común ≈ 1/gm

Respuesta en frecuencia Todos los nodos están conectados a puertas: Ceq ≈ Cgs El nodo 9 está conectado a CL (que representa la Cgs de la siguiente etapa) Como las capacidades son todas similares, no decidirán el polo dominante Los nodos 3, 5, 7 tienen Req ≈ 1/gm ≈ 1KΩ Los nodos 8 y 9 tienen Req ≈ ro/2 ≈ 100KΩ claros candidatos a polos dominantes Dos polos con frecuencias muy cercanas, no existe polo dominante claro...

Respuesta en frecuencia Efecto Miller (muy simplificado...) En nuestro circuito Cgd7 está situada entre dos nodos con alta ganancia: La capacidad Cgd7 se ve multiplicada por la ganancia de la segunda etapa amplificadora El polo dominante del sistema vendrá determinado por la capacidad Miller de Cgd7

Respuesta en frecuencia Podría ocurrir que nuestro amplificador realimentado fuera inestable ¿Cómo solucionarlo? Rediseñando el circuito desde el principio.... En el caso concreto de nuestro esquemático: Método de compensación de fase Desplazar el polo dominante hacia baja frecuencia para así mejorar la fase del circuito. Consecuencias negativas: La frecuencia de corte y la UGF disminuyen

Respuesta en frecuencia ¿Pero cómo mover el polo del nodo 8 sin mover el polo del nodo 9? Aumentando la capacidad Miller: capacidad de compensación Si se añade Cc al circuito, aparece un efecto segundario: un cero de transmisión que empeora la respuesta en frecuencia Para evitarlo, se añade también una resistencia Rc en serie con la capacidad

Recomendaciones Para los comandos plot y print: vdb(nodo): tensión del nodo en dBs vp(nodo): fase del nodo Φ(f) es una cantidad positiva por definición SPICE da la fase entre -180º y 180º: ¡Cuidado con la medida de Φ(f)!

Recomendaciones Para la cuestión 2 El montaje en bucle cerrado es un seguidor de tensión: Idealmente la tensión de salida debe ser igual a la tensión de entrada (salvo offset de continua) Si la tensión de salida oscila: Apunta a ojo el valor pico a pico de la oscilación mediante un plot. En el caso de que la tensión pico a pico no fuera del todo constante, apunta el valor medio aproximado de esa tensión pico a pico. Si la tensión de salida sigue a la de entrada, apunta el valor de la tensión de salida en t=1us mediante un print