Polos y ceros de compensación de dos polos

Soy conocido con los conceptos básicos de qué son los polos y ceros de la función de transferencia y cómo determinarlos, pero ciertamente no sé cómo aplicar dichos polos y ceros a la curva de ganancia, que describe la respuesta de frecuencia de un amplificador. Además, este video explica los conceptos básicos de polos y ceros, y lo entiendo completamente.

Esta es la imagen del diagrama de Bode de un amplificador de un trabajo de investigación que se puede descargar aquí :

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La curva más pronunciada muestra la respuesta de frecuencia de compensación de dos polos, mientras que la otra es para la compensación de un polo dominante/un polo de un amplificador. Con el punto rojo marqué un polo, con la marca verde marqué un cero (que están ubicados allí, de acuerdo con ese trabajo de investigación). El polo se define como el punto en un plano imaginario al que se aproxima la función.

¿Cómo puede el punto rojo ser un polo según la definición superior del mismo? El cero se define como el punto en un plano real en el que la función de transferencia que se está observando alcanza el valor de cero. De acuerdo con este trabajo de investigación, el cero de la compensación de dos polos se encuentra a 320 kHz (que de alguna manera está cerca de la marca verde).

¿Cómo se puede ubicar, de acuerdo con la definición superior de cero, un cero, donde la curva está marcada con un punto verde? Diría que un cero está ubicado en la frecuencia donde ambas funciones "cruzan" 0 dB de ganancia.

Un diagrama de Bode analiza la función de transferencia para cada frecuencia en el eje jw (es decir, s = jw), lo que significa que, si bien la función de transferencia en un cero puede tener una respuesta cero en algunos s complejos, no es necesariamente cero solo para el imaginario. s=jw.
Del artículo que citó: "Una solución es el uso de compensación de dos polos. Esto consiste en introducir un polo adicional de baja frecuencia, seguido de un cero a una frecuencia más alta, colocado para llevar la pendiente de ganancia a -20 dB/ década antes de que la ganancia del bucle cruce 0 dB. De esta manera, a medida que la frecuencia cae desde el punto de ganancia del bucle unitario, la ganancia del bucle aumenta inicialmente a 20 dB por década, como en el caso de un solo polo dominante. Sin embargo, en la frecuencia cero , esta tasa aumenta a 40 dB por década, lo que resulta en ganancias de bucle mucho más altas en la banda de audio". Énfasis mío.
Creo que está confundiendo: un diagrama de polos y ceros, un diagrama de lugar de raíces y un diagrama de Bode (o 'respuesta de frecuencia').

Respuestas (2)

No entiendo la pregunta ni entiendo por qué el diagrama de Bode está marcado con un polo y un cero y he aquí por qué: -

Un diagrama típico de polo cero para un filtro de paso bajo de segundo orden: -

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El eje vertical es jw y este es también el eje de frecuencia base de un diagrama de Bode como este (también un filtro de paso bajo de segundo orden): -

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Detrás del pico resonante en el diagrama de Bode de arriba se esconde un polo, pero no puede dibujarlo en el diagrama de Bode porque ninguna de las coordenadas del polo está exactamente a lo largo del eje de frecuencia.

Y juntos, en 3 dimensiones se ven así: -

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Como puede ver, no puede marcar un polo en un diagrama de Bode a menos que ocurra justo en el eje jw, pero entonces el pico del diagrama de Bode se elevaría hasta el infinito y no lo hace en su diagrama de Bode.

Tampoco puede marcar un cero en un diagrama de Bode por las mismas razones, a saber, el diagrama de Bode TIENE que ser cero si hay un cero con una coordenada a lo largo del eje jw. Si no está allí, no puede marcarlo en el diagrama de Bode porque no tiene sentido.

Imágenes de aquí .

Al carecer de análisis, así es como encuentro polos y ceros en diagramas de Bode (cuando eso es todo con lo que tengo que trabajar).
@jonk un buen método.
@Andyaka ¿Podría decir que estas cosas que escribió en su respuesta se pueden aprender de algún libro de diseño de filtros (junto a las matemáticas)? ¿O son los polos y los ceros un tema de alguna otra área de la electrónica?
@Keno Los aprendí en la década de 1980 en la universidad y, afortunadamente, nunca he tenido que buscar mucho en los libros desde entonces. Los polos y los ceros son parte de las ecuaciones diferenciales de segundo orden, por lo que un libro de matemáticas decente que tenga sesgos de ingeniería ayudaría. Nunca había visto la vista 3D dibujada en ninguna parte antes de comenzar a dibujarla para las respuestas SE, pero los recuerdos se desvanecen...

Como dices que entiendes los poels y los ceros, entonces entiendes que no son más que raíces de los polinomios característicos del numerador y el denominador, y no tienen que ser puramente reales (s=1), o puramente imaginarios (s= i), pueden ser complejos (s=-1 ± i).

De la misma manera, los polos y ceros en tu caso son complejos, lo que significa que están amortiguados, lo que resulta en su proyección en el j ω el eje no sea un pico hacia el infinito, o un valle hacia cero, están amortiguados.

Por ejemplo, una función de transferencia de segundo orden con un polo a 1 Hz y un cero a 10 Hz. La función de transferencia es:

H ( s ) = a 2 s 2 + a 1 s + a 0 s 2 + b 1 s + b 0 = s 2 + 4 s + 100 s 2 + 0.4 s + 1

y la trama:

trama

En este caso, las raíces son z=-2 ± 9.798i y p=-0.2 ± 0.978i. No son puramente reales, ni puramente imaginarios, por lo que su proyección en el eje de frecuencia aparece amortiguada. Si los términos b1 y a1 fueran cero, entonces las raíces serían puramente imaginarias:

pureimag

Mirando tu imagen, la función de transferencia tiene un denominador de segundo orden y un numerador de primer orden, debido a la pendiente después del cero. El poste parece estar ligeramente subamortiguado. Si intentara obtener un resultado similar, probaría con b1=1.2, a2=0 (necesita el primer orden), a1=1 y a0=10:

intentar

Observe cómo el polo alcanza un pico muy leve y el cero es suave debido a que el numerador es un polinomio de primer orden, por lo que la raíz (cero) es puramente real. Si fuera una magnitud en forma de embudo, habría sido un polo complejo sin una parte real, solo imaginaria. Pero así, la pendiente desde el polo hasta el cero es -40dB/dec, luego, después del cero, -20dB/dec. También mire la fase, cómo sube por 90 o .

¿Qué significa "amortiguación"? Además, no entiendo mucho los números imaginarios y los complejos, así que creo que no puedo entender completamente tu respuesta. Y de la primera ecuación, ¿cómo obtuviste esos valores para a y b?...
¿Podría recomendar un libro para leer para un "verde" como yo para aprender estas cosas correctamente?
@Keno En el tono más neutral posible, es posible que desee comprender esos, primero, los números complejos, luego la trigonometría, porque no importa qué libro recomendaría, todos se basarían en esas matemáticas. "Opamps for everyone" podría ser una buena opción para ti o, si crees que tienes estómago, "Analog Electronic Filters" de Hercules Dimopoulos.