Diseño de amplificador operacional de dos etapas con ideas de compensación
Leonhard Euler
Estoy tratando de diseñar un amplificador operacional con una retroalimentación de paso alto. El diagrama se muestra a continuación. La retroalimentación de paso alto tiene una frecuencia de esquina de 1 Hz.
El amplificador operacional en sí es de dos etapas, como se puede ver a continuación.
Según los libros que he estado leyendo y la cantidad de diseños que he encontrado en línea, el procedimiento que generalmente se usa implica tener en cuenta el condensador de compensación desde el principio. En todos esos diseños, asumimos que queremos un margen de fase > 62 grados y obtenemos un valor para el capacitor de compensación. Mi pregunta es, ¿cómo afectaría un filtro de paso alto en la ruta de retroalimentación negativa la elección de la capacitancia de compensación necesaria? En todos los diseños que he visto, la capacitancia de compensación se consideró de 0,22*CL (0,22 para cumplir con los requisitos de margen de fase). ¿Debería afectar este cálculo la adición de un filtro de paso alto y, de ser así, cómo?
Aquí está la otra pregunta: solo tengo alrededor de 55𝜇A para jugar según los requisitos de energía. En otro para cumplir con el GBW requerido, necesito alrededor de 17𝜇A en la rama que contiene M1 y M3. Naturalmente, reflejaría esta corriente en la rama que contiene M2 y M4. Sin embargo, esta sería la corriente en esta rama 34𝜇A dejando solo alrededor de 20𝜇A para la segunda rama que es muy poco. La segunda rama debe consumir la mayor cantidad de corriente. La única forma en que puedo reducir la corriente en la rama central es reflejando solo una fracción de 17𝜇A en la rama que contiene M2 y M4. Esto complica mucho las cosas porque implicaría que M1 y M2 (y también M3 y M4) ya no son del mismo tamaño. Según la cantidad de diseños que he visto, M1 y M2 (y también M3 y M4) siempre tienen los mismos tamaños. Esto parece implicar que algo está bastante mal. No me importaría algo de ayuda si es posible.
Respuestas (1)
usuario173271
El capacitor a través de la resistencia de retroalimentación agrega un cero en el bucle. Es decir que aumenta la ganancia del bucle pero también añade fase, mejorando la estabilidad. Este capacitor también agrega un polo a una frecuencia más alta que tiene el potencial de cancelar la mejora de estabilidad del cero. Por lo tanto, el valor del capacitor debe elegirse con cuidado para que la ganancia del bucle baje a la unidad antes de que se alcance este polo de frecuencia más alta.
El valor del condensador de compensación se elegiría para dar el margen de fase deseado, generalmente para una ganancia de bucle cerrado unitario, pero tal vez para una ganancia de bucle cerrado más alta para un amplificador operacional descompensado, independientemente de cómo esté configurado el circuito externo. Luego, el diseñador tiene la opción de incluir un capacitor en la resistencia de retroalimentación para mejorar aún más la estabilidad si así lo desea. Este capacitor a veces se incluye con el doble propósito de reducir el ruido de alta frecuencia.
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Puede variar la corriente en las etapas de entrada y salida juntas variando Ibias. Para variar la corriente solo en la etapa de entrada, inserte y varíe una resistencia entre la fuente de M5 y Vdd.
La corriente en cualquier lado de la etapa de entrada debe mantenerse balanceada (igual) o se producirá distorsión.
En un nivel de pensamiento simple, la velocidad de giro se establece por la corriente en la etapa de entrada o la corriente en la etapa de salida, lo que sea menor. Esto se debe a que son estas corrientes las que cargan el condensador de compensación.
Por ejemplo, si hay un total de 20 uA en la etapa de entrada y 35 uA en la etapa de salida, entonces la velocidad de giro es igual (suponiendo un Ccomp de 100 pF):
SR = dv/dt = i/C = 20uA/100pF = 0,2 V/us
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La ganancia de bucle abierto está determinada por la transconductancia, Gm de la etapa de entrada y la impedancia del capacitor de compensación a cualquier frecuencia particular.
Ganancia OL = Gm.Xc
Gm disminuye a medida que disminuye la corriente de cola del amplificador diferencial de la etapa de entrada, pero esto no debería reducir GBW porque a medida que Gm disminuye (debido a la corriente de cola reducida) disminuiría el tamaño del capacitor de compensación (aumentando la ganancia OL) para lograr el margen de fase deseado de algún lugar entre 45 ° y 65 °.
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