Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en...
-
Upload
eloisa-maysonet -
Category
Documents
-
view
112 -
download
4
Transcript of Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en...
![Page 1: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/1.jpg)
Amplificador Operacional (II)
Vicente Baena
![Page 2: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/3.jpg)
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)
+
-
V+
V-
Vo
A0
f
|A(f)| (dB)
f3dB
UGF
V+-V-
VoPendiente de valor A0
![Page 4: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/4.jpg)
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
+
-
V+
Vo A0
f
|A(f)| (dB)
f3dB
UGF
V+
VoPendiente de valor A0
B
![Page 5: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/5.jpg)
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
A0
|A(f)| (dB)
UGF
phase(A(f))
-90
-180
Φ(UGF)
MF
![Page 6: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/6.jpg)
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?
![Page 7: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/7.jpg)
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
Cdb
Csb
Cgd
Cgs
Req
Req
Req
![Page 8: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/8.jpg)
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...
M2
Vout
Ibias
M1
M3
Vdd Vdd
M4
M5Mbp
Vb
Va
2
13
4
5
7 8
Vdd
M6
9
M7
![Page 9: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/9.jpg)
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
C
A·Vi VoVi +-
A·C A·Vi VoVi +- C/A
![Page 10: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/10.jpg)
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
A0
f
|A(f)| (dB)
UGF
phase(A(f))
-90
-180
Φ(UGF)
MF<0
p8p9
A0
f
|A(f)| (dB)
phase(A(f))
-90
-180
Φ(UGF)
MF>0
p8p9
p8
UGF
![Page 11: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/11.jpg)
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
M2
V out
Ibias
C c
M3
V ddV dd V dd
M4
M5MbpM6
M7
V b
V a
2
13
4
5
79
8
R c
M110
![Page 12: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/12.jpg)
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)!
f
phase(A(f))
-180
Φ(f2)
180
Φ(f1)
![Page 13: Amplificador Operacional (II) Vicente Baena. Objetivo de la práctica Analizar el comportamiento en frecuencia de un amplificador operacional realimentado.](https://reader036.fdocuments.mx/reader036/viewer/2022082502/5528bde8497959977d8fd9c7/html5/thumbnails/13.jpg)
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