Introduction à la rétroaction dans les circuits d'amplificateurs

En réorientant une partie du signal de sortie vers l'entrée, les ingénieurs peuvent contrôler le gain, réduire la distorsion et modifier le comportement temporel du circuit. Deux paramètres critiques affectés par la rétroaction sont vitesse de fuite[ et réponse dynamique. Comprendre comment la rétroaction influence ces mesures est essentielle pour concevoir des circuits qui répondent à des exigences spécifiques en matière de vitesse, de stabilité et de précision.

Principes fondamentaux de la vitesse de gluttage et de la réponse dynamique

Taux de museau : Définition et importance

La vitesse de déplacement d'un amplificateur est définie comme étant la vitesse maximale de variation de la tension de sortie, habituellement exprimée en volts par microseconde (V/μs). Elle mesure la rapidité avec laquelle l'amplificateur peut réagir à un changement d'entrée rapide et important, comme une fonction d'étape. La vitesse de déplacement est limitée par le courant interne disponible pour charger et décharger la compensation ou les capacités de charge. Mathématiquement, pour un condensateur C étant chargé par un courant I], la vitesse de déplacement est . Dans les amplificateurs opérationnels, le condensateur de compensation (souvent autour de 30 pF) et le courant de commande de l'étape de sortie déterminent la vitesse de déplacement maximale.

Réponse dynamique : bande passante, comportement transitoire et stabilité

La réponse dynamique englobe la capacité de l'amplificateur à reproduire avec précision les signaux variant dans le temps.

  • Bandwidth – la plage de fréquences sur laquelle l'amplificateur gagne reste relativement constante. Ceci est souvent exprimé comme la bande passante de gain d'unité (GBW) en op-amps.
  • Réponse transitoire – comment se comporte la sortie lorsqu'elle subit des changements soudains (p. ex., temps de montée, dépassement, temps de réglage).
  • Stable – la tendance de l'amplificateur à éviter l'oscillation ou l'enroulement excessif lorsque la rétroaction est appliquée.

La réponse dynamique est intimement liée aux pôles internes et aux zéros de l'amplificateur, et la rétroaction joue un rôle majeur dans la remodelage de ces caractéristiques.

Mécanismes de rétroaction et leur classification

Rétroaction négative contre Rétroaction positive

La rétroaction négative renvoie un signal qui s'oppose à l'entrée, réduit le gain global mais améliore la linéarité, la bande passante et la stabilité. La rétroaction positive renforce l'entrée, ce qui peut provoquer une oscillation ou une hystérésis (utilisée dans les comparateurs et les oscillateurs).

Types de rétroaction négative

  • Série de tension (série-fuite): tension de rétroaction proportionnelle à la tension de sortie, appliquée en série avec entrée. Commune dans les amplificateurs non inversés.
  • Série actuelle (série-série): tension de retour proportionnelle au courant de sortie. Utilisée dans les amplificateurs de transconductivité.
  • Chunt-voltage (chunt-funt): courant de retour proportionnel à la tension de sortie. Utilisé dans les amplificateurs d'inversion.
  • Chunt actuel (série de chasse): courant de rétroaction proportionnel au courant de sortie. Moins fréquent.

Chaque topologie affecte les impédances d'entrée et de sortie différemment, et ces changements d'impédance influencent indirectement le taux de chute et la réponse dynamique en raison des effets de chargement et des limites de bande passante.

Impact détaillé de la rétroaction sur le taux de gluttage

Comment la rétroaction réduit le taux de museau

Dans un système d'essai normal avec rétroréduction négative, le condensateur de compensation interne est intégré dans le circuit pour assurer la stabilité, surtout à l'unité de gain. Le réseau de rétroaction ne modifie pas directement la limite de vitesse de rotation interne (établie par le courant de queue d'entrée et le condensateur de compensation), mais il affecte les conditions de signal externe. Lorsque la rétroaction est appliquée, l'amplificateur fonctionne à un gain de vitesse de rotation fermée inférieur. Pour maintenir la même tension différentielle d'entrée, le réseau de rétroaction exige que la sortie change plus rapidement pour une étape donnée d'entrée? En fait, l'inverse: la tension différentielle d'entrée est réduite par la rétroaction, de sorte que la limite de vitesse de rotation interne est moins susceptible d'être déclenchée pour de petites oscillations de signal. Toutefois, pour les grandes étapes de signal, l'amplificateur reste en train de se déplacer au taux de rotation interne.

Amplificateurs de rétrorétroactivité : une histoire différente

Dans amplificateurs de retour de courant (CFA), le taux de chute n'est pas limité par un condensateur de compensation, car le noeud interne est faible en impédance. Au contraire, le taux de chute peut être extrêmement élevé, limité uniquement par le stade de sortie et les capacités parasitaires. Cependant, même dans les CFA, la rétroaction influence la réaction aux signaux importants : la résistance de rétroaction fixe la bande passante en boucle fermée, et la rétroaction inappropriée peut conduire à sonner ou à instabilité sans affecter directement le taux de chute.

Mesures expérimentales

La valeur de sortie de l'amplificateur est la même que celle de l'amplificateur.

Impact de la rétroaction sur la réponse dynamique

Extension de la largeur de bande

L'un des effets les plus importants de la rétroaction négative est l'extension de la bande passante. Pour un amplificateur avec gain de boucle ouverte A et un pôle dominant à la fréquence f0, la bande passante fermée devient approximativement f0 × (1 + β]A, où β est le facteur de rétroaction. Ceci est connu sous le nom de gain-bande passante du produit : bande passante fermée = bande passante unité-gain / (1 + βA)? En fait, pour un ampère-op avec produit GBW constant, bande passante fermée = GBW / gain de boucle fermée.

Réponse transitoire et marge de phase

Dans un système de rétroaction, la fonction de transfert en boucle fermée introduit un dénominateur qui dépend du gain de boucle. Si le gain de boucle a plusieurs pôles, la rétroaction négative peut causer des pics ou des oscillations si la marge de phase est insuffisante. La marge de phase est la différence entre le déplacement de la boucle ouverte et -180° à la fréquence où l'ampleur du gain de boucle est unité (0 dB). Une marge de phase de 60° est typique pour une réponse transitoire bien entretenue avec un dépassement minimal. L'augmentation de la rétroaction (c.-à-d. β) réduit le gain de boucle fermée mais peut aussi diminuer la marge de phase parce que la fréquence de passage de la boucle de gain se déplace vers une région où la phase de boucle ouverte a davantage chuté.

Effets sur la distorsion et la distorsion induite par les ulcères

Cependant, lorsque l'amplificateur s'enroule, l'opération linéaire interne se décompose et la rétroaction ne peut pas corriger la distorsion parce que le taux de sortie est limité. Ceci est connu sous le nom de performance induite par la fuite (SID). La rétroaction aide à réduire l'amplitude de la partie de la fente du signal en forçant la sortie à suivre l'entrée plus précisément, mais une fois la limite de vitesse interne de glissement atteinte, la rétroaction perd le contrôle jusqu'à ce que le changement d'entrée ralentisse.

Les compromis entre le taux de glutification et la réponse dynamique

Augmentation du taux de gluttage au détriment de la stabilité

Pour obtenir un taux de chute élevé, les concepteurs réduisent souvent la capacité de compensation ou augmentent le courant de biais de l'étape d'entrée. Les deux actions peuvent dégrader la marge de phase, entraînant une instabilité et une réponse transitoire médiocre. Par exemple, les op-amps non compensés (comme le LM318) ont des taux de chute plus élevés (70 V/μs) mais nécessitent une compensation externe pour obtenir une exploitation stable à faible gain.

Optimisation pour les applications à haute vitesse

Pour l'acquisition de données à grande vitesse ou les applications vidéo, l'amplificateur idéal devrait avoir un taux de rotation élevé et une large bande passante avec une marge de phase adéquate. Cela nécessite souvent l'utilisation d'architectures de courant-feedback ou de topologies avancées comme les amplificateurs stabilisés par hélico ou auto-zéro. Les réseaux de rétroaction doivent être soigneusement conçus: résistances de faible valeur réduisent les effets de bruit et de capacité parasitaire, mais augmentent la consommation d'énergie.

Mesure du taux de glut dans les systèmes de rétroaction

Lors de la mesure de la vitesse de déplacement dans un système à boucle fermée, il est important d'appliquer une grande étape d'entrée (généralement 10 V) qui entraîne l'amplificateur dans une limite de déplacement. La pente de la forme d'onde de sortie est mesurée entre 10 % et 90 % de la valeur finale. La rétroaction ne modifie pas la pente mesurée, mais la présence de rétroaction peut provoquer un dépassement après la période de déplacement en raison de la dynamique de la boucle fermée. Texas Instruments application note SBOA094 fournit une discussion détaillée des techniques de mesure de la vitesse de déplacement dans les amplificateurs opérationnels.

Observations et données expérimentales

Essai en laboratoire : OP27 vs NE5534

Considérez deux amplificateurs opérationnels populaires : l'OP27 (précision) et la NE5534 (haute vitesse). L'OP27 a un taux de glissement typique de 2,8 V/μs et un produit de gain-bande de 8 MHz. Lorsqu'ils sont configurés dans un gain non inversé de 10, les deux amplificateurs présentent des bandes passantes semblables à de petits signaux, mais le taux de glissement de l'OP27 est beaucoup plus faible, ce qui entraîne une distorsion visible pour les impulsions rapides à gros signaux.

Effet de l'augmentation du facteur de rétroaction sur le temps de montée

Pour un amplificateur fixe, augmenter le facteur de rétroaction (c.-à-d. réduire le gain en boucle fermée) augmente la bande passante à faible signal et réduit donc le temps de montée de la sortie pour de petites étapes. Cependant, si l'étape est suffisamment grande pour causer une éboulement, le temps de montée devient limité par le taux de chute, indépendamment de la rétroaction. Par exemple, l'utilisation d'un LM741 avec un temps de montée de 10 à 90 % pour une étape de 1 V est d'environ 1,4 μs (limité par bande passante), mais pour une étape de 10 V, le temps de montée est d'environ 10 V / 0,5 V/μs = 20 μs, ce qui est limité par le taux de chute.

Taux de marge de phase par rapport au taux de gluttage

Une étude de Analog Devices montre que les condensateurs de compensation ajoutés pour améliorer la marge de phase réduisent proportionnellement le taux de slew. Pour un amplificateur donné, un plafond de compensation de 10 pF donne un taux de slew de 20 V/μs, tandis qu'un plafond de 30 pF donne 6,7 V/μs. L'échange est clair : la stabilité (gauche de phase > 60°) exige souvent un plafond de compensation plus important, limitant le taux de slew. Dans la conception de la rétroaction, si le gain en boucle fermée est suffisamment élevé pour que la bande passante soit inférieure à la fréquence où la marge de phase devient critique, un plafond de compensation plus petit peut être utilisé, permettant un taux de slew plus élevé.

Applications et lignes directrices pour la conception dans le monde réel

Amplificateurs audio

Dans les circuits audio, la rétroaction est largement utilisée pour réduire la distorsion et étendre la bande passante. Cependant, la vitesse de déplacement doit être suffisante pour gérer la fréquence et l'amplitude maximales sans SID. Une règle de pouce commune : la vitesse de déplacement requise pour un amplificateur audio est . Pour un signal de 20 kHz, 10 V de pointe : ≥ 2π × 20e3 × 10 ↓ 1,26 V/μs. De nombreux amplificateurs audio d'op-amplificateurs dépassent cette vitesse, mais les amplificateurs de puissance élevée se battent souvent. La rétroaction peut également introduire une distorsion intermodulation transitoire (TIM) si la boucle de rétroaction ne peut pas corriger rapidement les erreurs dues à la limitation de la vitesse de déplacement.

Convertisseurs de données à grande vitesse

Dans les circuits de conduite ADC, l'amplificateur doit se fixer à moins de 1/2 LSB avant la conversion suivante. La bande passante et le débit de l'échantillon sont les facteurs dominants. La rétroaction détermine la bande passante en boucle fermée et donc le temps de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de faible signal. Pour les changements à grande échelle (p. ex. de 0 à 5 V), le débit de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'échantillon de l'

Amplificateurs RF et FI

Dans les circuits RF, la réponse dynamique se réfère souvent à la capacité de l'amplificateur à gérer la modulation avec une distorsion minimale. La rétroaction négative est utilisée pour l'appariement de l'impédance et la stabilisation des gains, mais à haute fréquence, les effets parasitaires limitent la quantité de rétroaction qui peut être appliquée sans instabilité.

Conclusion

Bien qu'il améliore la réponse dynamique en élargissant la bande passante, en réduisant la distorsion et en améliorant la linéarité, il peut également interagir avec les limites internes de vitesse de déplacement de l'amplificateur de façon à dégrader les performances de signal large. Le taux de déplacement intrinsèque d'un amplificateur est déterminé par les courants internes et les capacités et n'est pas affecté par le réseau de rétroaction dans les topologies de voltage-feedback. Cependant, le gain de boucle fermée, la marge de phase et le comportement transitoire sont directement influencés par le facteur de rétroaction. Les concepteurs doivent équilibrer ces compromis : la rétroaction élevée donne une meilleure précision de petit signal et la bande passante, mais peut nécessiter une compensation qui réduit le taux de déplacement ou la stabilité.