[RAQ] Cała prawda o rezystorach w pętli napięciowego sprzężenia zwrotnego
Pytanie:
Stabilność mojego różnicowego wzmacniacza z napięciowym sprzężeniem zwrotnym wydaje się być bardzo silnie zależna od doboru rezystora w pętli sprzężenia. Stosunek Rf/Rg pozostaje zawsze poprawny, więc gdzie leży przyczyna?
Odpowiedź:
Jeśli zachodzi potrzeba wzmocnienia sygnału, najczęściej wykorzystywany jest wzmacniacz. W konfiguracji wzmacniacza różnicowego i napięciowego sprzężenia zwrotnego stosunek rezystancji umieszczonej w pętli sprzężenia zwrotnego do wartości rezystora wzmocnienia (Rf/Rg) wyznacza wzmocnienie. Po ustawieniu wzmocnienia, kolejnym krokiem jest dobranie wartości albo Rf, albo Rg. Jednak wybór Rf może wpłynąć na stabilność wzmacniacza.
Wewnętrzna pojemność wejściowa wzmacniacza, której wartość jest podawana w karcie katalogowej elementu, wchodzi w interakcję z rezystorem Rf, tworząc szpilki w charakterystyce przenoszenia wzmacniacza. Jeśli wartość Rf jest zbyt duża, to te szpilki w charakterystyce wpłyną na stabilność. Jeśli wspomniane szpilki wystąpią na częstotliwości znacznie wyższej, niż częstotliwość graniczna, stabilność nie ulegnie pogorszeniu. Jednak jeśli położenie szpilki określone przez wzór f = 1/(2πRF Cin,amp) wypada w pobliżu częstotliwości granicznej, przesunięcie fazowe będzie zmniejszone i może doprowadzić do potencjalnej niestabilności.
Przykład widoczny na wykresie 1 przedstawia wyniki laboratoryjne wzmocnienia dla małych sygnałów w funkcji częstotliwości dla wzmacniacza ADA4807-1 w konfiguracji nieodwracającej z podwójnym wzmocnieniem dla wartości rezystorów 499 Ω, 1 kΩ i 10 kΩ. Wartość Rf zalecana w karcie katalogowej to 499 Ω
Wielkość tych szpilek w charakterystyce częstotliwościowej odpowiedzi dla małych sygnałów wskazuje na niestabilność. Zwiększenie Rf z 499 Ω do 1 kΩ nieznacznie zwiększa miejsce uniesienia charakterystyki. To oznacza, że wzmacniacz ma na tyle wystarczający margines fazy przy Rf równym 1 kΩ, że pozostaje stabilny. Natomiast sytuacja zmienia się dla Rf o wartości 10 kΩ. Wysoki poziom uniesienia na charakterystyce oznacza niestabilność (oscylacje) i nie jest zalecany.
Testowanie układu w warunkach laboratoryjnych nie jest potrzebne, aby wykryć potencjalną niestabilność. Wykres 3 przedstawia wyniki symulacji przy użyciu Spice dla tych samych wartości Rf = 499 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ. Wyniki te są zbieżne z wykresem 1, przy czym wykres 3 przedstawia niestabilność w dziedzinie czasu. Dodanie zera do charakterystyki poprzez umieszczenie kondensatora w pętli sprzężenia zwrotnego eliminuje niestabilność, co widać na wykresie 4.
Wykres 3. Symulacja odpowiedzi na impuls przy użyciu modelu Spice wzmacniacza ADA4807 dla Rf = 499 O, 1 kΩ, 10 kΩ. Vs = ±5 V, G = 2, rezystancja obciążenia = 1 kΩ
Wybór rezystora Rf jest zawsze kompromisem między ilością wydzielanej mocy, pasmem i stabilnością układu. Jeśli największym problemem jest wydzielana moc i nie można pozwolić sobie na wybór rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego o wartości podanej w karcie katalogowej lub wymagana jest znacznie wyższa wartość Rf, opcjonalnie należy umieścić kondensator sprzężenia zwrotnego równolegle z rezystorem. Jednak takie rozwiązanie skutkuje ograniczeniem pasma układu.
Wybierając rezystor Rf do pętli napięciowego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza różnicowego, należy wziąć pod uwagę wymagania systemu. Jeśli szybkość nie jest najważniejsza, kondensator umieszczony w pętli pozwoli uzyskać stabilność pomimo dużej wartości Rf. Jeśli natomiast szybkość jest kluczowym parametrem, zdecydowanie lepiej wybrać wartość Rf z karty katalogowej. Zignorowanie związku Rf ze stabilnością, pasmem i mocą układu może skutkować pogorszeniem parametrów systemu lub, co gorsza, ograniczyć jego maksymalną wydajność.