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En este artículo, analizaremos cómo se puede usar la capacitancia en derivación para lograr la compensación de frecuencia en amplificadores operacionales y también veremos por qué esta no es la técnica preferida.

En un artículo reciente sobre la compensación de frecuencia de los amplificadores operacionales, discutimos cuál es el concepto de compensación de frecuencia y cómo podemos evaluar la estabilidad de un circuito de ejemplo. Concluimos este artículo abordando el concepto de compensación de polo dominante y cómo fue necesario modificar la ganancia de bucle abierto para permitir un perfil que está dominado por un solo polo.

Aquí, mostraremos un método para lograr esto, conocido como capacitancia de derivación. La compensación de capacitancia en derivación implica agregar capacitancia en forma intencional en paralelo con la capacitancia existente de uno de los nodos del circuito.

Compensación a través de una capacitancia de derivación

Una forma de fuerza bruta de hacer dominante un polo es intencionalmente agregar capacitancia al nodo responsable de la frecuencia de polo más baja.

En el artículo anterior, presentamos el modelo de amplificador operacional de dos polos de la Figura 1 a continuación, donde F₁ Es la frecuencia de polo más baja.

Figura 1. Modelo aproximado de CA de un amplificador operacional.

Luego usamos el circuito PSpice de la Figura 2 para generar los gráficos de la Figura 3.

Figura 2. Circuito PSpice para trazar ganancias de bucle cerrado en pasos de 20 dB determinados por R₄.

Figura 3. Ganancias de circuito cerrado del circuito de la Figura 2 para diferentes cantidades de realimentación.

Estos gráficos indican que el amplificador operacional debe ser compensado en frecuencia para evitar que se produzca el pico de ganancia, especialmente en las ganancias de bucle cerrado más bajas.

Una vez que decidamos dónde colocar la frecuencia de cruce ƒ_X Para la operación de ganancia unitaria, encontramos el nuevo valor de ƒ₁ explotando la constancia del producto de ancho de banda de ganancia de la ganancia compensada, o una₀׃_{1 (nuevo)} = 1׃_Xdando asi

$$ f_ {1 (nuevo)} = frac {f_ {x}} {a_ {0}} $$

Ecuación 1

Un buen punto de partida es imponer. ƒ_X = ƒ₂ Porque es fácil de visualizar geométricamente.

Para el circuito de la figura 2, obtenemos ƒ_{1 (nuevo)} = ƒ₂/una₀ = 2.546 Hz, y encontramos el valor requerido de la capacitancia de compensación do_do (para ser colocado en paralelo con do₁) dejando 1 /

El[2πR₁(DO₁ + C_do)]= ƒ_{1 (nuevo)}, lo que da do_do = 62.51 nF.

Corriendo el circuito de la figura 2, pero con do_do agregados como en la Figura 4 (a continuación), obtenemos los gráficos de la Figura 5. Excepto en el caso de ganancia unitaria, todos los perfiles ahora están exentos de los picos porque cada uno disfruta de un margen de fase de 90 °.

Figura 4. Circuito de PSpice para trazar ganancias de bucle cerrado en pasos de 20 dB después de la compensación de la capacitancia en derivación.

Figura 5. Ganancias de circuito cerrado del circuito de la figura 4.

Al comparar la Figura 5 con la Figura 3, observamos que el precio para deshacerse de los picos es un ancho de banda de bucle abierto muy reducido. De hecho, el ancho de banda de bucle abierto ƒ₁ Se reduce de 6.366 kHz a 2.546 Hz.

La pequeña cantidad de picos por la respuesta de ganancia unitaria se debe al hecho de que al permitir ƒ_X = ƒ₂ estamos imponiendo un ROC de 30 dB / dec, lo que implica un margen de fase de φ_metro ≈ 45 °. Si un mayor φ_metro es deseado, entonces ƒ_X debe ser colocado debajo ƒ₂ tal que

$$ f_ {x} = frac {f_ {2}} {tanφ_ {m}} $$

Ecuación 2

Por ejemplo, para φ_metro ≈ 65.5 °, que marca el inicio del pico, debemos imponer ƒ_X = ƒ₂/ (tan 65.5 °) = ƒ₂/2.194. En consecuencia, necesitamos do_do = 62.51 × 2.194 = 137 nF, y obtenemos ƒ_{1 (nuevo)} = 2.546 / 2.194 = 1.16 Hz.

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Es importante entender que la compensación de la capacitancia en derivación es atractiva desde un punto de vista pedagógico, pero eso es todo. No solo causa una reducción dramática del ancho de banda, sino que también ralentiza otras dinámicas, como la velocidad de giro y el ancho de banda de potencia total. Discutiremos un método más práctico y más utilizado en el próximo artículo sobre la compensación de frecuencia de Miller.

Ahora que comprende un método para lograr la compensación de frecuencia en un amplificador operacional, hablemos de una alternativa mucho mejor, la compensación de Miller, que se analiza en el siguiente artículo.