Amplificador Operacional II

1
Amplificador Operacional (II)

• Vicente Baena

2
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

3
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 A0f3dB
• Para un sistema de primer orden (un único polo)
  el valor del GBP coincide con el valor de la
  frecuencia de ganancia unidad (UGF)

4
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

5
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 F(UGF)
• Se mide sobre la respuesta en frecuencia en bucle
  abierto
• Si MF lt 0 el sistema será inestable
• Como criterio de diseño se suele buscar un MF de
  70º

6
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 SRkCk(1/fp1) (1/fp2) (1/fp2)
  ....
• Si existe un polo dominante, la frecuencia de
  corte del circuito vendrá determinada por la
  inversa de a1 a11/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?

7
Respuesta en frecuencia

• Recordatorio de circuitos MOS
• Capacidades en un MOS en saturación
• Cgs (2/3) WLCox
• 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

8
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 1KO
• Los nodos 8 y 9 tienen Req ro/2 100KO claros
  candidatos a polos dominantes
• Dos polos con frecuencias muy cercanas, no existe
  polo dominante claro...

9
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

10
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

11
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

12
Recomendaciones

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

13
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 t1us
  mediante un print