¿Por qué mi amplificador oscila cuando trato de reducir el ancho de banda?

Tengo un amplificador opamp x100, que parece funcionar:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Hoja de datos para el opamp: aquí . Los diodos están ahí para proteger las entradas del amplificador operacional (caro). El opamp se alimenta de rieles de +-250 V, con tapas de desacoplamiento de 1 nF y 100 nF junto a los pines, y tiene menos ruido del que puedo medir con mi osciloscopio y sondas (<10 mVptp).

Construí y probé el circuito. Funciona, pero me gustaría reducir el ruido presente en la salida. Dado que el DAC es relativamente ruidoso a unos 10 kHz y armónicos, pensé que podría reducir el ancho de banda del amplificador. Intenté agregar 15nF en paralelo con R3, con la expectativa de que esto reduciría la ganancia de alta frecuencia. La simulación en LTSpice con un opamp genérico sugirió que debería funcionar. Pero comenzó a oscilar entre 1 y 2 MHz, de riel a riel.

Me di cuenta de que realmente no entiendo los criterios para que un amplificador oscile. ¿Por qué oscila mi amplificador? ¿Y cómo debo reducir el ancho de banda sin oscilación?

El criterio para que un amplificador oscile es simple: si tiene un cambio de fase de 180 grados y una ganancia > 1.0 en alguna frecuencia, acabas de construir un oscilador. Presumiblemente, a 1 MHz, el cambio de fase es una combinación de sus condensadores de retroalimentación más la velocidad de giro limitada del amplificador, y pasó 180 grados mientras todavía había un poco de ganancia disponible.
La especificación dice que este amplificador operacional de riel a riel de 1kV es marginalmente estable en Av = 100 e inestable en Av = 10 y exige su comprensión del margen de fase del diagrama de Bode con compensación externa, buen diseño y sin cargas capacitivas a baja ganancia a menos que se compense. El retraso en la retroalimentación a 1 MHz se debe a un aumento de ganancia interno donde la retroalimentación negativa se convierte en retroalimentación positiva y la ganancia baja significa una relación de retroalimentación alta. Pregunte al soporte técnico de Mfg por diagramas de margen de fase y consejos de diseño sobre estabilidad o lea los manuales de amplificadores operacionales de semiconductores nacionales de 1975 sobre el mismo para "compensación externa" o Wiki...
El % de sobreimpulso de la respuesta escalonada es una indicación clara del margen de ganancia hacia la oscilación. Esta es la teoría básica. La tapa DEBE ser de tipo cerámico NPO (ESR bajo) y tener un buen diseño de pista y tierra, no una placa de prueba vieja con baja ganancia. Este CMOS Op AMP especial requiere más habilidad para usar.

Respuestas (2)

Su amplificador parece tener pines para un límite de compensación deliberado. Los agregaron por una razón, lo que implica que el condensador habitual de la salida directamente a la entrada negativa podría no funcionar tan bien. Parece que lo confirmaste. Si desea que el amplificador sea más estable, aumente C1.

Para reducir el ruido fuera de banda, intente agregar un poco de filtrado de paso bajo de la señal de entrada. Por ejemplo, podría dividir R1 en dos mitades y poner un capacitor a tierra desde el punto medio.

Este. Si es posible, lo mejor es filtrar el ruido aguas arriba y, como dice Andy, filtrar también el terreno virtual. Está utilizando un opamp de $ 150 con la referencia de voltaje más barata que el dinero podría comprar ... Una referencia estable de 2V5 es simplemente una obviedad en este diseño.
@Olin Realmente no sé cómo el límite de compensación ayuda a la estabilidad, leeré un poco. ¿A qué valor sugeriría tratar de aumentarlo? No tengo muchas tapas de alto voltaje de bajo valor para experimentar, así que compraré algunas. Intentaré filtrar por separado antes del amplificador también.
@VladimirCravero La tierra virtual de 2.5V en realidad se divide a partir de una referencia de precisión de 5V, no de la fuente de alimentación de bajo voltaje. La referencia de 5 V se comparte con los DAC, lo que debería minimizar la desviación del punto cero con el tiempo y la temperatura.
@Jack: Los límites de compensación ralentizan la respuesta del amplificador, lo que aumenta la estabilidad porque el amplificador es más lento que el sistema que lo rodea. Intente duplicar el valor recomendado y vea qué sucede. También es importante mantener los cables cortos. Esta tapa debe estar físicamente cerca de la pieza, cruzando las clavijas tanto como sea posible.
@JackB Suponiendo que su referencia de precisión tiene una impedancia de salida cero, desde el nodo de tierra virtual ve 1k, con un límite parásito de 1nF (eso es grande), aún obtiene el polo a aproximadamente 160 kHz. Idealmente, no desea ninguna frecuencia en ese nodo aparte de DC, así que sí ... Simplemente tire la tapa allí. Tenga cuidado: dependiendo de las capacidades actuales de su referencia, ¡tendrá que esperar un tiempo de inicio! Teniendo en cuenta los voltajes que ves aquí, ten mucho cuidado .

Si el DAC es un poco ruidoso, también es probable que el suministro de 5 voltios sea un poco ruidoso y esto significa que la unión de R4 y R5 también es un poco ruidosa. Normalmente, los ingenieros pondrían 1 uF a 0 voltios en ese punto, por lo que es algo bastante fácil de probar.

Si el ruido sigue siendo un problema, filtre la salida del DAC antes de alimentar la resistencia R1. Si observa la hoja de datos del dispositivo, puede ver que con un capacitor de compensación de 4.7 pF, el amplificador será casi estable sin agregar el capacitor de retroalimentación. Agregar el condensador de retroalimentación ciertamente parece que el amplificador operacional se volverá inestable entre 2 MHz y 3 MHz (consulte el gráfico de respuesta de fase).

No ha mostrado desacopladores de riel de alimentación en su circuito; la hoja de datos PA95 dice: -

Se requiere derivación de fuente de alimentación de cerámica de 0.01 µF o mayor

¿Has hecho esto? ¿Cuánto ruido tienes en los rieles de alimentación?

El DAC es ruidoso ya que es un DAC de 16 bits interpolado a 18 bits (AD5680). La línea de 5V en realidad proviene de una referencia de precisión, no de la fuente de alimentación lógica, pero podría intentar agregar ese 1uF de todos modos. Actualicé la pregunta para abordar los rieles eléctricos: están desacoplados. No entiendo completamente cómo la respuesta de fase interactúa con el capacitor de retroalimentación, pero leeré un poco.
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