سلام
من جند وقت پیش یک مقاله درباره نویز میخوندم. یک جاییش نوشته بود: نویز! یک خازن میگذارید به این امید که نویز حذف بشه ولی گاهی گذاشتن اون خازن به جای حذف نویز یک فاجعه ایجاد میکنه: نوسان و ناپایداری. با خودم گفتم خدا دشمن آدم رو هم در چنین شرایطی قرار نده!
چند وقت پیش یک پ امپ رو به شکل یک بافر با بهره واحد بسته بودم(پایه منفی رو مستقیماً به خروجی پ امپ وصل کرده بودم). هدفم این بود که یک ولتاژ مرجع رو بافر کنم و در اختیار چند مدار دیگه قرار بدم. چند خازن 10nF هم در ورودی مدارهای دریافت کننده قرار داده بودم که نویز ولتاژ رفرنس رو کم کنم. اما دیدم نه تنها نویز کم نشد بلکه خروجی بافر با دامنه های چند ده و حتی چند صد میلی ولتی نوسان میکنه! یاد همون مقاله افتادم.
متاسفانه در اون مقاله ننوشته بود که چرا ممکنه چنین اتفاقی بیفته بنابراین مجبور شدم کمی جستجو کنم و واقعا باید از Analog Devices و Texas و Microchip و سایر سازندگان تشکر کرد.
اکنون متوجه شدم که گذاشتن خازنهای به اون بزرگی در خروجی پ امپ کار درستی نبوده و اصولا باید از چنین کاری پرهیز کرد. در اینجا یک چکیده بسیار کلی بیان میکنم و در انتها دو لینک قرار داده ام:
ما در تقویت کننده ها، پ امپ رو همیشه با فیدبک می بندیم. فیدبک مزایایی زیادی داره از قبیل اینکه وابستگی تابع تبدیل حلقه بسته رو نسبت به مشخصه های پ امپ(که معمولا در معرض دما و با گذشت زمان دستخوش تغییر هستند) کم کرده و به مشخصه های عناصر غیر فعال موجود در شبکه فیدبک مثل مقاومت- که تولرانس های بهتر و پایداری بیشتری نسبت به زمان و دما دارند- مرتبط میکنه. اما وقتی از فیدبک استفاده میکنیم باید حواسمان به پایداری هم باشه. اکثر مدارهای فیدبک دار ممکنه در شرایط خاصی ناپایدار بشن. و تحلیلهای مربوط به دیاگرام bode و فاز و یا نمودار نایکوییست و نیکولز هم همگی برای بررسی پایداری مدارهای فیدبکی هستن.
مدارهای پ امپی به دلیل وجود فیدبک در اونها، ممکنه در شرایط خاصی بر خلاف میل ما ناپایدار بشن. برای بررسی پایداری در مدارهای پ امپی معمولاً از دیاگرامهای bode و فاز استفاده میشه. و مهمترین پارامتری که بررسی میشه حد فاز هست. حد فاز تعیین میکنه که سیستم چقدر پایداره و ماکزیمم فراجهش چقدره. حداقل حد فاز که میتونه ما رو از ناپایداری حفظ کنه 45 درجه هست.
پ امپهای معمولی عمدتاً از نوع Internally-Compensated هستند. یعنی خازنی به عمد در مدار داخلی آنها نهاده شده و این خازن یک قطب غالب رو جایی در پاسخ فرکانسی پ امپ ایجاد میکنه که در گین حلقه بسته واحد به حد فاز 45 درجه برسه.
تا وقتی شبکه فیدبک ما مقاومتی خالصه، میتونیم بدون نگرانی از این پ امپها استفاده کنیم. اما هیچوقت نمیشه یک شبکه فیدبک مقاومتی خالص داشت.
و معمولاً پای خازنها هم به مدار باز میشه. چرا:
1- در ورودی های پ امپ خازن وجود داره که ناخوداگاه در شبکه فیدبک هم قرار میگیره
2- در بار Load ممکنه خازن وجود داشته باشه
3- خازنهای پراکنده یا پارازیت که همیشه هستند و قابل حذف نیستند(اما قابل کم کردن هستند): بین هر دو هادی که از هم فاصله داشته باشند یک خازن وجود داره. این خازن میتونه بین یک Trace و صفحه زمین باشه. به همین دلیل گفته میشه که نباید اطراف پ امپ از صفحه زمین استفاده کرد(مگر اینکه واقعا مجبور باشیم)
وقتی پای خازنها به مدار فیدبک باز شد، باید نگران پایداری بود.
اما خازن چگونه پایداری رو کاهش میده: خازن در بار و خازن در ورودی منفی پ امپ، قطبی رو در تابع تبدیل حلقه باز ایجاد میکنن. اگر این قطب حداقل یک decade بیشتر از فرکانس حلقه بسته نباشه اونوقت احتمال کاهش پایداری وجود داره. این کاهش پایداری مراتب داره:
1- اول خودش رو به شکل overshoot نشون میده
2- اگر حد فاز باز هم کم بشه(مثلا با افزایش خازن Load) کاهش پایداری خودش رو به شکل ring(نوسان میرا شونده) نشون میده
3- اگر حد فاز باز هم کم بشه و به صفر برسه، دیگه مدار ناپایدار کامله و یک نوسان نامیرا در خروجی پ امپ دیده میشه
تقویت کننده هایی که به شکل بافر با بهره واحد بسته میشن، پهنای باند بیشتری نسبت به سایرین دارن و به همین خاطر در برابر خازنها آسیب پذیر تر هستند.
بیان کل مسئله در اینجا ممکن نیست اما لینکهای زیر بسیار مفید است:
درباره: فیدبک در مدارهای پ امپی و نمودارهای بد و فاز: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/an94/an9415.pdf
درباره: خازن بار و حل مشکلات ناپایداری آن: http://www.analog.com/library/analogDialogue/cd/vol31n2.pdf#page=19
من جند وقت پیش یک مقاله درباره نویز میخوندم. یک جاییش نوشته بود: نویز! یک خازن میگذارید به این امید که نویز حذف بشه ولی گاهی گذاشتن اون خازن به جای حذف نویز یک فاجعه ایجاد میکنه: نوسان و ناپایداری. با خودم گفتم خدا دشمن آدم رو هم در چنین شرایطی قرار نده!
چند وقت پیش یک پ امپ رو به شکل یک بافر با بهره واحد بسته بودم(پایه منفی رو مستقیماً به خروجی پ امپ وصل کرده بودم). هدفم این بود که یک ولتاژ مرجع رو بافر کنم و در اختیار چند مدار دیگه قرار بدم. چند خازن 10nF هم در ورودی مدارهای دریافت کننده قرار داده بودم که نویز ولتاژ رفرنس رو کم کنم. اما دیدم نه تنها نویز کم نشد بلکه خروجی بافر با دامنه های چند ده و حتی چند صد میلی ولتی نوسان میکنه! یاد همون مقاله افتادم.
متاسفانه در اون مقاله ننوشته بود که چرا ممکنه چنین اتفاقی بیفته بنابراین مجبور شدم کمی جستجو کنم و واقعا باید از Analog Devices و Texas و Microchip و سایر سازندگان تشکر کرد.
اکنون متوجه شدم که گذاشتن خازنهای به اون بزرگی در خروجی پ امپ کار درستی نبوده و اصولا باید از چنین کاری پرهیز کرد. در اینجا یک چکیده بسیار کلی بیان میکنم و در انتها دو لینک قرار داده ام:
ما در تقویت کننده ها، پ امپ رو همیشه با فیدبک می بندیم. فیدبک مزایایی زیادی داره از قبیل اینکه وابستگی تابع تبدیل حلقه بسته رو نسبت به مشخصه های پ امپ(که معمولا در معرض دما و با گذشت زمان دستخوش تغییر هستند) کم کرده و به مشخصه های عناصر غیر فعال موجود در شبکه فیدبک مثل مقاومت- که تولرانس های بهتر و پایداری بیشتری نسبت به زمان و دما دارند- مرتبط میکنه. اما وقتی از فیدبک استفاده میکنیم باید حواسمان به پایداری هم باشه. اکثر مدارهای فیدبک دار ممکنه در شرایط خاصی ناپایدار بشن. و تحلیلهای مربوط به دیاگرام bode و فاز و یا نمودار نایکوییست و نیکولز هم همگی برای بررسی پایداری مدارهای فیدبکی هستن.
مدارهای پ امپی به دلیل وجود فیدبک در اونها، ممکنه در شرایط خاصی بر خلاف میل ما ناپایدار بشن. برای بررسی پایداری در مدارهای پ امپی معمولاً از دیاگرامهای bode و فاز استفاده میشه. و مهمترین پارامتری که بررسی میشه حد فاز هست. حد فاز تعیین میکنه که سیستم چقدر پایداره و ماکزیمم فراجهش چقدره. حداقل حد فاز که میتونه ما رو از ناپایداری حفظ کنه 45 درجه هست.
پ امپهای معمولی عمدتاً از نوع Internally-Compensated هستند. یعنی خازنی به عمد در مدار داخلی آنها نهاده شده و این خازن یک قطب غالب رو جایی در پاسخ فرکانسی پ امپ ایجاد میکنه که در گین حلقه بسته واحد به حد فاز 45 درجه برسه.
تا وقتی شبکه فیدبک ما مقاومتی خالصه، میتونیم بدون نگرانی از این پ امپها استفاده کنیم. اما هیچوقت نمیشه یک شبکه فیدبک مقاومتی خالص داشت.
و معمولاً پای خازنها هم به مدار باز میشه. چرا:
1- در ورودی های پ امپ خازن وجود داره که ناخوداگاه در شبکه فیدبک هم قرار میگیره
2- در بار Load ممکنه خازن وجود داشته باشه
3- خازنهای پراکنده یا پارازیت که همیشه هستند و قابل حذف نیستند(اما قابل کم کردن هستند): بین هر دو هادی که از هم فاصله داشته باشند یک خازن وجود داره. این خازن میتونه بین یک Trace و صفحه زمین باشه. به همین دلیل گفته میشه که نباید اطراف پ امپ از صفحه زمین استفاده کرد(مگر اینکه واقعا مجبور باشیم)
وقتی پای خازنها به مدار فیدبک باز شد، باید نگران پایداری بود.
اما خازن چگونه پایداری رو کاهش میده: خازن در بار و خازن در ورودی منفی پ امپ، قطبی رو در تابع تبدیل حلقه باز ایجاد میکنن. اگر این قطب حداقل یک decade بیشتر از فرکانس حلقه بسته نباشه اونوقت احتمال کاهش پایداری وجود داره. این کاهش پایداری مراتب داره:
1- اول خودش رو به شکل overshoot نشون میده
2- اگر حد فاز باز هم کم بشه(مثلا با افزایش خازن Load) کاهش پایداری خودش رو به شکل ring(نوسان میرا شونده) نشون میده
3- اگر حد فاز باز هم کم بشه و به صفر برسه، دیگه مدار ناپایدار کامله و یک نوسان نامیرا در خروجی پ امپ دیده میشه
تقویت کننده هایی که به شکل بافر با بهره واحد بسته میشن، پهنای باند بیشتری نسبت به سایرین دارن و به همین خاطر در برابر خازنها آسیب پذیر تر هستند.
بیان کل مسئله در اینجا ممکن نیست اما لینکهای زیر بسیار مفید است:
درباره: فیدبک در مدارهای پ امپی و نمودارهای بد و فاز: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/an94/an9415.pdf
درباره: خازن بار و حل مشکلات ناپایداری آن: http://www.analog.com/library/analogDialogue/cd/vol31n2.pdf#page=19
