Realimentación Negativa, Compensación en Amplificadores Operacionales: Estabilidad, Márgenes y Parámetros Clave

Realimentación negativa:

Podemos disminuir la señal de entrada y, por tanto, la señal de salida.

Ventajas:

1. Estabiliza la ganancia frente a variaciones en los componentes o en las fuentes de polarización.
2. Mejora las características de las resistencias de entrada y salida.
3. Aumenta el ancho de banda.
4. Reduce el ruido de la señal a la salida.

Inconvenientes:

1. La ganancia realimentada será menor que la ganancia sin realimentar.

Métodos de compensación:

Consisten en introducir R o C a continuación del amplificador de tal forma que se varíen las características del módulo y fase de la ganancia de lazo.

a) Polo dominante (R serie C = 1/(2πRC))

Introduce 1 polo a una frecuencia menor que el menor polo. De este modo habrá 2 polos por encima del eje de 0 dB (fp1 y f1). Los otros 2 (f2 y f3), al disminuir decadas, quedarán por debajo del eje de 0 dB, como solo hay 2 por encima del sistema.

b) Por cero (R1 || R2, C serie R2: fo = 1/(2πR1C); fp = 1/(2π(R1 || R2)C))

Introduce 1 polo y 1 cero, siendo la frecuencia del cero menor que la del polo. Logremos que fo = f2 y fp por debajo del eje de 0 dB.

c) Polo-cero (R1 serie R2 serie C; fo = 1/(2πR2C); fp = 1/(2π(R1 + R2)C))

Se introduce 1 polo y 1 cero, siendo ahora la frecuencia del cero mayor que la del polo. Logremos que fo = fi, por lo que solo fp y f2 quedan por encima de 0 dB.

Acoplamiento directo:

Se sumarán los niveles de continua, por lo que se suele introducir fuentes de tensión complementarias. Tiene buena respuesta a baja frecuencia. Se utilizará en circuitos integrados.

Capacitivo:

La componente continua no pasa de un amplificador a otro. Es necesario que la impedancia del condensador se comporte como un cortocircuito en el intervalo de frecuencia en el que trabajamos.

Criterio de estabilidad:

Un sistema será estable si el módulo de la ganancia de lazo es inferior a la unidad cuando la fase sea de 180º, es decir, |β·A| < 1 para -180º.

MG (Margen de ganancia):

Es el módulo de la ganancia de lazo a la frecuencia para la cual la fase es -180º. Si el margen de ganancia está por debajo de 0 dB, el sistema será estable. Nos indica cuánto podemos aumentar aún la ganancia de lazo mientras el sistema sigue siendo estable (mientras siga estando por debajo de 0 dB). Si está por encima de 0 dB, el sistema será potencialmente inestable.

MF (Margen de fase):

Es la diferencia entre -180º y la fase de la frecuencia para la cual el módulo de la ganancia de lazo vale 0 dB.

Valores típicos:

• MG: 10 dB
• MF: 50º

Cortocircuito virtual:

Si partimos de que la tensión de salida es finita, como la ganancia es muy elevada, la diferencia de tensión entre los terminales de entrada deberá ser muy pequeña (≈ 0):

V_o = A(V₂ - V₁) ⟹ V₂ - V₁ = V_o/A ≈ 0 ⟹ V₂ = V₁

Tenemos entonces un cortocircuito virtual entre los terminales de entrada.

Tierra virtual:

Puesto que V₂ = 0 y tenemos un cortocircuito virtual entre los terminales de entrada, aparece una tierra virtual: V₂ = 0; V₂ = V₁; V₁ = 0.

RRMC = |A_d| / |A_c|

Sirve para medir el grado de desviación del comportamiento ideal de un amplificador diferencial (A.D.).

Sobre el AD:

A_vd grande, A_vc pequeña, BW grande, I_entrada pequeñas, derivadas térmicas de las I de entrada pequeñas, Z_in grande, Z_out pequeña. En la configuración Darlington tenemos Z_in elevada, al ser la A_i, por lo que podrá alimentarse con I pequeñas.

Especificaciones del AO:

1. V de alimentación: simétrica (±5 V, ±15 V).
2. Máx. V de entrada en modo diferencial y modo común. Ej.: 30 V.
3. Disipación de potencia: máx. disipable por el AO.
4. Temperatura de funcionamiento: temperatura ambiente para seguridad.

Slew Rate (SR):

Es la relación entre la máxima variación de la tensión a la salida y el intervalo de tiempo en el que se produce (V/μs), siempre para señales de gran amplitud. Para medirlo, se aplica una señal rectangular de gran amplitud a un seguidor de tensión: SR = mín(V/t₁, V/t₂).

Ancho de banda:

A plena potencia o frecuencia máxima es aquella frecuencia para la cual una señal sinusoidal de amplitud máxima a la salida del AO comienza a mostrar distorsión debida al slew rate. Es decir, a partir de f_max la señal mostrará distorsión a la salida debida al slew rate.