¿Qué tiene de especial "unidad-ganancia estable"?

Como se menciona en las hojas de datos opamp, como esta . Creo que la estabilidad es un problema con mayores ganancias, debido a la oscilación. ¿Cuáles son los problemas con la ganancia de unidad?

La estabilidad no solo depende de la ganancia, sino también de la fase. Si un amplificador inversor tiene un cambio de fase de 180 °, el cambio de fase total es 360 °, y se cumple uno de los criterios de Barkhausen para la oscilación.

Los amplificadores difieren en su capacidad de ser estables incluso si el circuito externo es óptimo. Para evaluar el potencial de estabilidad para un tipo de amplificador particular, se requieren datos gráficos tanto para "ganancia frente a frecuencia" como para "fase frente a frecuencia" del amplificador de bucle abierto. Si la respuesta de fase exhibe! 180E a una frecuencia donde la ganancia está por encima de la unidad, la retroalimentación negativa se convertirá en retroalimentación positiva y el amplificador realmente sostendrá una oscilación. Incluso si el retraso de fase es inferior a! 180E y no hay oscilación sostenida, habrá sobreimpulso y la posibilidad de ráfagas de oscilación desencadenadas por fuentes de ruido externas, si la respuesta de fase no es "suficientemente inferior" a -180 ° para todas las frecuencias donde la ganancia está por encima de la unidad. El "suficientemente menos" margen de fase . Si la respuesta de fase es -135 °, entonces el margen de fase es 45 ° (la cantidad "menor que" -180 °). En realidad, el margen de interés de fase para evaluar el potencial de estabilidad también debe incluir la respuesta de fase del circuito de retroalimentación . Cuando este margen de fase combinado es de 45 ° o más, el amplificador es bastante estable. El número de 45 ° es un valor de "regla general" y un mayor margen de fase producirá una estabilidad aún mejor y menos sobreimpulso.

A menudo, pero no siempre, el margen de fase más bajo está en la frecuencia más alta que tiene ganancia por encima de la unidad; porque siempre hay un retraso independiente de la frecuencia que representa más grados a frecuencias más altas. Se dice que un amplificador con un margen de fase de 45E en la frecuencia más alta de ganancia de bucle abierto de unidad es "ganancia de unidad estable". Opcionalmente, la mayoría de los tipos de amplificadores pueden compensarse por la estabilidad de ganancia de la unidad con algún sacrificio en la velocidad de respuesta o el ruido de alta frecuencia. Si se considera que la estabilidad es de alta prioridad, se debe hacer una compensación. Ganancia de unidad estable significa operación estable en la ganancia de bucle cerrado más baja donde la estabilidad es generalmente peor.

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Lecturas adicionales
¿Por qué la retroalimentación de la unidad es más difícil para la estabilidad?

La ganancia de unidad se logra aplicando un 100% de retroalimentación a un amplificador de alta ganancia. Habrá un cambio de fase entre la entrada y la salida y la oscilación se produce cuando el cambio de fase es igual o superior a 180 grados en cualquier frecuencia donde la ganancia de bucle abierto es mayor que la unidad (en realidad siempre en la práctica en un rango de frecuencias).

La situación de alta retroalimentación de la unidad de ganancia es la más difícil para evitar cierta frecuencia (generalmente en la parte superior del rango de respuesta) que tiene un cambio de fase de 180 grados.

En la práctica, "poco menos de 180 grados" no es lo suficientemente bueno ya que los amplificadores que se aproximan a la oscilación "resuenan" y producen una respuesta transitoria indeseable en bordes rápidos o en señales con componentes de frecuencia más alta. Por lo tanto, se requiere un grado de "margen de fase", de modo que el cambio de fase en todo el sistema esté bien libre de 180 grados en todas las frecuencias que puedan encontrarse, para mantener el amplificador alejado de las áreas donde comienza a comportarse mal.

Jensen AN001 útil : algunos consejos para estabilizar amplificadores operacionales

La retroalimentación negativa estabiliza los amplificadores, mientras que la retroalimentación positiva los desestabiliza.

Debido a la resistencia parásita y la capacitancia, un amplificador termina inevitablemente actuando como un filtro de paso bajo. Esto significa que, además de la atenuación, hay un cambio de fase. Cuantas más etapas tenga un amplificador, mayor será el potencial para los cambios de fase.

La respuesta de frecuencia de un amplificador con dos o más etapas (es decir, casi todos los amplificadores operacionales) contendrá múltiples frecuencias de corte. Alrededor de cada frecuencia de ruptura aumenta el cambio de fase. Después de la primera frecuencia de ruptura hay aproximadamente 90 grados de cambio de fase, después de la segunda frecuencia de ruptura hay aproximadamente 180 grados de cambio de fase (y así sucesivamente, pero realmente solo nos interesan los dos primeros).

Un cambio de fase de 180 grados convierte la retroalimentación negativa en retroalimentación positiva. Eso es un problema. Si la "ganancia de bucle" de la ruta de retroalimentación en ese punto es una o más de las que oscilará el amplificador.

Por lo tanto, tenemos que diseñar nuestros amplificadores para que la ganancia en el bucle de retroalimentación disminuya a menos de uno antes de alcanzar la segunda frecuencia de corte. Los fabricantes de OP-AMP hacen esto agregando deliberadamente capacitancia (conocida como "compensación") a sus amplificadores para reducir la frecuencia del primer punto de interrupción y, por lo tanto, reducir la ganancia en el segundo punto de interrupción. Por supuesto, esto reduce el ancho de banda de nuestro amplificador.

Pero la ganancia en el ciclo de retroalimentación depende no solo del amplificador sino también del divisor de retroalimentación. Cuanto mayor sea la ganancia de circuito cerrado de su amplificador, menor será la ganancia en el circuito de retroalimentación. El amplificador de ganancia unitaria no inversora es el peor de los casos, ya que realimenta el 100% de la salida a la entrada. Por lo tanto, los amplificadores de baja ganancia necesitan una gran capacidad de compensación que los de alta ganancia.

Entonces, los fabricantes de amplificadores operacionales de alta velocidad le dan la opción. Algunas veces esto se logra al tener diferentes modelos de amplificador para aplicaciones de baja y alta ganancia. A veces (por ejemplo, en el AD8021) esto se hace ajustando el condensador de compensación externamente.