O que há de especial no "ganho de unidade estável"?

Como mencionado nas fichas técnicas do opamp, como esta . Eu acho que a estabilidade é um problema com ganhos maiores, devido à oscilação. Quais são os problemas com o ganho de unidade?

A estabilidade não depende apenas do ganho, mas também da fase. Se um amplificador inversor possui um deslocamento de fase de 180 °, o deslocamento de fase total é de 360 ​​° e um dos critérios de oscilação de Barkhausen é atendido.

Os amplificadores diferem em sua capacidade de permanecer estáveis, mesmo que o circuito externo seja ideal. Para avaliar o potencial de estabilidade para um tipo particular de amplificador, são necessários dados gráficos para "ganho versus frequência" e "fase versus frequência" do amplificador de circuito aberto. Se a resposta de fase exibir! 180E em uma frequência em que o ganho está acima da unidade, o feedback negativo se tornará um feedback positivo e o amplificador realmente suportará uma oscilação. Mesmo se o atraso de fase for menor que! 180E e não houver oscilação sustentada, haverá overshoot e a possibilidade de oscilações de oscilação acionadas por fontes de ruído externas, se a resposta de fase não for "suficientemente menor" que -180 ° para todas as frequências onde o ganho está acima da unidade. O "suficientemente menos" margem de fase . Se a resposta da fase for de -135 °, a margem da fase será de 45 ° (a quantidade "menor que" -180 °). Na verdade, a margem de fase de interesse para avaliar o potencial de estabilidade também deve incluir a resposta de fase do circuito de realimentação . Quando essa margem de fase combinada é de 45 ° ou mais, o amplificador é bastante estável. O número de 45 ° é um valor "regra de ouro" e uma margem de fase maior trará uma estabilidade ainda melhor e menos ultrapassagem.

Freqüentemente, mas nem sempre, a margem de fase mais baixa está na frequência mais alta que tem ganho acima da unidade; porque sempre há algum atraso independente da frequência, o que representa mais graus em frequências mais altas. Um amplificador com margem de fase 45E na frequência mais alta de ganho de malha aberta da unidade é considerado "ganho de unidade estável". Opcionalmente, a maioria dos tipos de amplificadores pode ser compensada pela estabilidade do ganho de unidade com algum sacrifício na taxa de giro ou no ruído de alta frequência. Se a estabilidade for considerada de alta prioridade, a compensação deverá ser feita. Ganho de unidade estável significa operação estável com o menor ganho de malha fechada, onde a estabilidade é geralmente pior.

( daqui )

Leitura adicional
Por que o feedback da unidade é mais difícil para a estabilidade?

O ganho de unidade é obtido aplicando feedback de 100% a um amplificador de alto ganho. Haverá mudança de fase entre entrada e saída e a oscilação ocorrerá quando a mudança de fase for igual ou superior a 180 graus em qualquer frequência em que o ganho de malha aberta seja maior que a unidade (na verdade, sempre na prática em uma faixa de frequências).

A situação de alto retorno da unidade é a mais difícil para evitar que alguma frequência (geralmente no topo da faixa de resposta) tenha uma mudança de fase de 180 graus.

Na prática, "pouco menos de 180 graus" não é bom o suficiente, pois os amplificadores que se aproximam da oscilação "tocam" e produzem respostas transitórias indesejáveis ​​nas extremidades rápidas ou nos sinais com componentes de frequência mais alta. Portanto, é necessário um grau de "margem de fase", para que a mudança de fase pelo sistema fique bem clara de 180 graus em todas as frequências que possam ser encontradas, a fim de manter o amplificador longe de áreas onde ele começa a se comportar mal.

Útil Jensen AN001 - Algumas dicas sobre estabilização de amplificadores operacionais

O feedback negativo estabiliza os amplificadores, enquanto o feedback positivo os desequilibra.

Devido à resistência e capacitância parasitária, um amplificador acaba inevitavelmente agindo como um filtro passa-baixo. Isso significa que, além da atenuação, há uma mudança de fase. Quanto mais estágios um amplificador tiver, maior o potencial para mudanças de fase.

A resposta de frequência de um amplificador com dois ou mais estágios (ou seja, praticamente todos os amplificadores operacionais) conterá múltiplas frequências de interrupção. Ao redor de cada frequência de interrupção, a mudança de fase aumenta. Após a frequência do primeiro intervalo, há cerca de 90 graus de mudança de fase, após a frequência do segundo intervalo, cerca de 180 graus de mudança de fase (e assim por diante, mas realmente nos preocupamos apenas com os dois primeiros).

Uma mudança de fase de 180 graus transforma o feedback negativo em feedback positivo. Isso é um problema. Se o "ganho de loop" do caminho de realimentação nesse ponto for um ou mais do que o amplificador irá oscilar.

Portanto, temos que projetar nossos amplificadores para que o ganho no loop de realimentação caia para menos de um antes que a segunda frequência de interrupção seja atingida. Os fabricantes de OP-AMP fazem isso adicionando deliberadamente capacitância (conhecida como "compensação") a seus amplificadores para reduzir a frequência do primeiro ponto de interrupção e, portanto, reduzir o ganho no segundo ponto de interrupção. Claro que isso reduz a largura de banda do nosso amplificador.

Mas o ganho no loop de feedback depende não apenas do amplificador, mas também do divisor de feedback. Quanto maior o ganho do circuito fechado do seu amplificador, menor o ganho no circuito de feedback. O amplificador de ganho de unidade não inversora é o pior caso, pois devolve 100% da saída à entrada. Portanto, os amplificadores de baixo ganho precisam de uma capacitância de compensação maior que os de alto ganho.

Assim, os fabricantes de amplificadores operacionais de alta velocidade oferecem a você a escolha. Às vezes, isso é feito com diferentes modelos de amplificadores para aplicações de baixo e alto ganho. Às vezes (por exemplo, no AD8021), isso é feito instalando o capacitor de compensação externamente.