Отрицательная обратная связь, часть 8: Анализ стабильности транзисторного сопротивления усилителя
Методы, обсуждавшиеся в предыдущих статьях, могут помочь нам понять и устранить проблемы стабильности, наблюдаемые в общей схеме, используемой для усиления сигналов фотодиода.
Предыдущие статьи в этой серии
- Отрицательная обратная связь, часть 1: Общая структура и основные понятия
- Отрицательная обратная связь, часть 2: повышение чувствительности и пропускной способности усиления
- 316 207 Отрицательная обратная связь, часть 3: Улучшение шума, линейности и импеданса 324
- Отрицательная обратная связь, часть 4: Введение в стабильность 325
- Отрицательная обратная связь, часть 5: коэффициенты усиления и фазового поля 326
- Отрицательная обратная связь, часть 6: новый и улучшенный анализ стабильности
- Отрицательная обратная связь, часть 7: зависимая от частоты обратная связь 327
Вспомогательная информация
- Введение в операционные усилители
- Операционные усилители: отрицательная обратная связь 329
- Фаза переменного тока
- Практические аналоговые полупроводниковые схемы331 Специальные диоды
Так что вам не нужно переключаться на страницы, если вы хотите задуматься об общей структуре обратной связи, вот диаграмма, представленная в первой статье:
Оптические осцилляторы с внутренним компенсатором могут осциллировать
В наши дни не так много инженеров включают вопиющие неустойчивые дискретные усилители BJT в свои конструкции. Это делает жизнь менее захватывающей, хотя и несколько более стабильной, потому что большинство ОП-ампер внутренне компенсируются до такой степени, что у них есть достаточный запас по фазе, даже с коэффициентом усиления в замкнутом контуре (т. Е. Β = 1). Внутренняя компенсация, безусловно, удобна, особенно для инженеров, которые не имеют большого опыта в вопросах стабильности. Но это также поощряет проблематичную проблемность - проблема, потому что даже окомпенсированный с внутренней компенсацией ОУ может колебаться, и если это произойдет, то неудачный дизайнер может не понимать, откуда эта неустойчивость, или как правильно ее исправить.
Прежде чем перейти к нашим симуляциям, давайте посмотрим на внутреннюю компенсацию с учетом нашего постоянно растущего опыта анализа стабильности. Рассмотрим этот график с разомкнутым контуром для операционного усилителя LT1001 от Linear Tech.
Один из способов думать о внутренней компенсации заключается в доминирующем низкочастотном полюсе, который приводит к тому, что коэффициент разомкнутого контура достигает единицы, когда сдвиг фазы еще далек от 180 °. Но этот сюжет напоминает нам, что мы можем рассматривать внутреннюю компенсацию по-другому: доминирующий низкочастотный полюс гарантирует, что наклон разомкнутого контура составляет 20 дБ / декада вплоть до единственного усиления. Вспомним альтернативный подход к анализу устойчивости: если разница между наклоном реакции амплитуды петлевого усиления и наклоном отклика амплитуды обратной связи не превышает 20 дБ / декада в точке пересечения, усилитель достаточно стабилен. Неизбежные высокочастотные полюса - вы можете просто заметить увеличение наклона спуска примерно на 3 МГц - не подвергать опасности стабильность, потому что β должно быть больше 1, чтобы сделать 20log (1 / β) и 20log (A) кривые пересекаются в точке, которая находится в пределах -40 дБ / декада сегмента отклика от разомкнутого контура.
Однако, как мы узнали из предыдущей статьи, довольно легко создать нестабильность даже тогда, когда наклон разомкнутого контура усилителя не превышает 20 дБ / декада - все, что вам нужно, это некоторая частотная характеристика в сети обратной связи.
Остерегайтесь скрытой емкости
Фотодиод, сконфигурированный для «фотовольтаической моды» (что означает смещение нулевого напряжения по всему фотодиоду, в отличие от «фотопроводящего режима», в котором фотодиод имеет обратное смещение) функционирует по существу как зависящий от света (или УФ-зависимый или ИК- зависимый) источник тока. Малые токи, генерируемые диодом, усиливаются и преобразуются в напряжение с помощью транзисторного усилителя (TIA) следующим образом:
Все выглядит нормально: внутренне компенсированный операционный усилитель, не зависящая от частоты сеть обратной связи.,, но в этом, казалось бы, безобидном фотодиоде есть проблемы. Это то, что выглядит TIA, если мы заменим фотодиод эквивалентной схемой:
Шунтирующее сопротивление диода теоретически может влиять на усиление постоянного тока, но, что еще более важно, емкость соединения ввела частотный отклик в сеть обратной связи.
Имитировать
Вот первая схема LTSpice, которую мы будем использовать для анализа стабильности типичного фотодиода TIA.
Эта схема содержит разумные значения для емкости соединения, сопротивления шунта и резистора обратной связи. Как и в предыдущей статье, мы отделили сеть обратной связи от операционного усилителя, поскольку это позволяет создавать графики усиления с разомкнутым контуром, заземляя отрицательный вход, применяя источник переменного тока к положительному входу. Напряжение, которое было бы возвращено и вычитано, обозначается как «обратная связь», так что мы можем получить кривую 20log (1 / β), построив 20log (1 / (V feedback / V out)).
Проблема сразу очевидна: емкость перехода диода вводит полюс в сеть обратной связи (помните из предыдущей статьи, что полюс в β- передаточной функции выглядит как нуль при построении частотной характеристики 1 / β). Вы можете интуитивно понять это, подумав о том, как низкочастотные и высокочастотные сигналы проходят через цепь обратной связи: конденсатор является разомкнутой цепью на постоянном токе. Шунтирующее сопротивление также может быть аппроксимировано как разомкнутая цепь, потому что оно намного больше, чем резистор обратной связи. Поэтому на низких частотах V- обратная связь ≈ V out и, следовательно, β ≈ 1. По мере увеличения частоты R sh по-прежнему является приблизительно разомкнутой цепью, но импеданс C j постепенно уменьшается. Это приводит к постепенному уменьшению β, что приводит к положительному наклону в амплитуде кривой 20log (1 / β). Следовательно, в точке пересечения наклон 20log (A) составляет -20 дБ / декада, а наклон 20log (1 / β) составляет +20 дБ / декада; разница в наклонах составляет 40 дБ / декада, поэтому схема недостаточно стабильна.
Компенсировать
Мы не можем многое сделать, чтобы изменить сам полюс обратной связи, поскольку его местоположение определяется резистором, который устанавливает коэффициент усиления в замкнутом контуре и свойства фотодиода - по-видимому, эти аспекты схемы регулируются безоговорочными системными требованиями. Таким образом, нам нужно компенсировать этот полюс, и мы делаем это, вводя нуль в сеть обратной связи. Как мы видели в предыдущей статье, конденсатор параллельно с «нижним» резистором обратной связи (в данном случае R sh) создает полюс обратной связи, а конденсатор параллельно с «верхним» резистором обратной связи (в данном случае R F) создает ноль обратной связи. Таким образом, нам нужна емкость параллельно с R F следующим образом:
Вопрос в том, насколько емкость «центр»> (C_ {comp} = \ frac {1} {2 \ pi R_FF_ {int}} )
Это не даст вам точно точных результатов, потому что он не учитывает емкость соединения, но результат должен быть достаточно близким, чтобы служить отправной точкой для моделирования настройки и проверки. В нашей схеме мы имеем следующее:
(C_ {comp} = \ frac {1} {2 \ pi \ left (100 \ k \ Omega \ right) left (210 \ kHz \ right)} approx8 \ pF )
Прежде чем мы завершим эту процедуру компенсации, нам нужно решить, где именно мы хотим, чтобы обратная связь была нулевой. Для достижения достаточной стабильности кривая 20log (1 / β) должна иметь наклон ≈ 0, когда она пересекает кривую 20log (A), поэтому мы знаем, что нулевая частота не может быть выше частоты пересечения. Затем у нас есть компромисс: если нуль очень близок к частоте пересечения, схема будет иметь более низкий (хотя, вероятно, и достаточный) запас по фазе и максимальную полосу пропускания в замкнутом контуре. Поскольку нулевая частота уменьшается с этой точки, разность фаз увеличивается, а ширина замкнутого контура уменьшается. Вы можете подумать о компромиссе следующим образом:
- Найдите нулевую частоту ниже частоты пересечения:
- если вы не ожидаете высокочастотных фотодиодных сигналов
- если вы хотите отфильтровать высокочастотные компоненты в сигналах фотодиода
- если ваша цепь, вероятно, будет подвергаться воздействию рабочих или окружающих условий, которые могут существенно повлиять на частотную характеристику усилителя или сети обратной связи
- Найдите нуль очень близко к точке пересечения:
если вам необходимо увеличить полезную полосу TIA
На этих графиках показаны результаты стабильности для трех разных значений C comp:
Вывод
Эта схема фотодиода TIA предоставила прекрасную возможность применить альтернативный метод анализа стабильности к частотно-зависимой обратной связи. Следующая статья представит дополнительный метод моделирования стабильности и продемонстрирует использование этой техники в контексте другой ситуации, которая может ухудшить стабильность внутреннего компенсированного ОУ.
Следующая статья в серии: Отрицательная обратная связь, часть 9: разрыв цепи