Nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload nella quale potete leggere gli articoli tecnici della passata rivista cartacea Firmware con all'interno tantissimi contenuti sull'elettronica, ancora di interesse per makers e professionisti. I comuni amplificatori operazionali necessitano spesso di circuiti di post-amplificazione utili a fornire al carico segnali caratterizzati da tensioni e/o corrente che gli amplificatori integrati monolitici non sono in grado di assicurare. Di questi circuiti, noti come Power Booster Amplifier, discuteremo topologie e principi di analisi e progettazione.
IL PROBLEMA DELLE OSCILLAZIONI
I circuiti presentati hanno sempre un ramo di retroazione. La retroazione non ha, però, come abbiamo già accennato, solo effetti positivi, poiché introduce potenzialmente nel circuito la tendenza all’oscillazione su quelle che sono le frequenze di risonanza dell’anello. Nel determinare l’insorgere o meno del fenomeno entrano congiuntamente in gioco, alle diverse frequenze, il guadagno e la fase del segnale lungo l’anello di retroazione. Da un punto di vista matematico, la trattazione del problema è alquanto complessa. A ciò, si aggiunge una complicazione: a rigore andrebbero considerati non solo i valori delle grandezze elettriche che caratterizzano i componenti che costituiscono il circuito, ma anche gli effetti parassiti e il layout del circuito una volta che questo viene fisicamente implementato. Inoltre, va considerato sia il loop locale dello stadio booster che quello di feedback che comprende l’intero circuito. La Figura 1 mette in evidenza una tipica situazione di innesco di oscillazioni che si sovrappongono al segnale. Le coppie Q3 - Q5 e Q4 - Q6 del circuito di Figura 1 presentano un elevato valore di prodotto guadagno-banda. Se non si impiega la coppia 100 pF - 200ohm in parallelo alla resistenza di retroazione locale da 2k, il circuito tende ad oscillare come riportato in basso nella stessa Figura 1.
Figura 1: Tipico innesco di oscillazioni in uno stadio di uscita
Figura 2: In alto il segnale di uscita con il preamplificatore lento LT1012. In basso l’uscita con il preamplificatore veloce LT318A
L’inserimento di questa coppia di componenti scongiura il pericolo, ma un risultato simile si potrebbe ottenere ponendo un induttore in serie alla resistenza di 2k. Al fine di impedire questo effetto, è anche importante scegliere opportunamente i componenti. Per esempio, se possibile, è opportuno scegliere transistor che abbiano Ft non troppo elevate. L’instabilità dovuta alla retroazione dell’intero circuito è invece favorita dal fatto di inserire nello stesso uno stadio di elevato guadagno e che produce un determinato scostamento di fase. Per questo motivo, può essere opportuno limitare il prodotto guadagno - banda dell’amplificatore di controllo. In molti casi può essere opportuno indurre brutalmente una compensazione attraverso l’inserimento di una capacità di adeguato valore nel ramo di retroazione principale. In Figura 2 sono riportati due casi in cui la topologia del circuito è la stessa, lo stadio booster di uscita anche, ma cambia lo stadio preamplificatore. Nel primo caso, si tratta di uno stadio lento, nel secondo di uno stadio veloce: il comportamento in termini di stabilità varia notevolmente. L’LT1012 presenta una banda di 600KHz ed è seguito dal current buffer LT1010. L’LT1010 presenta invece una banda di 20MHz. Sostituendo l’LT1012 con un amplificatore avente banda molto più larga come l’LT1318 si ha, a parità di altre condizioni, l’innesco dell’oscillazione. Ciò spiega ancora una volta la necessità della capacità sul ramo di retroazione del circuito di Figura 4 e mostra allo stesso tempo l’importanza di scegliere i componenti in maniera appropriata. Nel circuito, l’amplificatore di controllo ha un elevato prodotto guadagno - banda (molto più dello stadio di uscita che è fatto da transistor in alta tensione, tipicamente molto lenti) che favorisce l’innesco di oscillazioni. La rete 10k - 100pF funge da integratore, insieme alla rete RC in cui è inserita la capacità di 33pF, stabilizza l’amplificatore. Togliendo questi componenti, il circuito oscilla come mostrato in Figura 3 (immagine in alto). Il valore della frequenza di oscillazione suggerisce anche il dimensionamento di massima di questo RC, che in questo caso è stato fissato a 100pF - 10k, corrispondente a una costante di tempo di 1ms.
Figura 3: In alto il comportamento del circuito dopo la rimozione della rete integratrice 10kohm - 100pF e la capacità di 33pF sul ramo di retroazione. In basso l’effetto che si ottiene dal ripristino della sola rete integratrice
Figura 4: Power Booster Amplifier PB51, schema equivalente di connessione e applicazione tipica. Il booster è realizzato in tecnologia ibrida a film sottile in contenitore SIP a 12 pin. Il SIP è ricorrente per power booster ibridi (in alto a sinistra) come lo è il TO3 (in alto a destra)
CONCLUSIONI E APPROFONDIMENTI
Nella maggior parte dei casi, il booster amplifier è fatto da transistor che funzionano come inseguitori di emettitore fornendo un guadagno di corrente. Non è tuttavia raro che a tale amplificatore si chieda un significativo guadagno in tensione e che integri pertanto anche uno stadio di guadagno a elevata tensione. Applicazioni come amplificatori audio, attuatori, sistemi di deflessione di fasci elettronici, pilotaggio di motori, shaker e in generale di forti carichi, necessitano per forza di cose di booster amplifier. Il feedback può comportare miglioramenti in termini di distorsione, diminuzione dell’impedenza di uscita dell’amplificatore e miglioramenti nella stabilità del guadagno. Tali miglioramenti sono tanto più marcati quanto maggiore è il guadagno di anello ma, in generale, insieme a questi vantaggi tende a manifestarsi la tendenza del circuito a oscillare. Ne consegue la necessità di introdurre opportune correzioni (compensazione) che stabilizzino il circuito stesso.
Chi progetta questo tipo di circuiti è costretto a introdurre spesso correzioni partendo da uno schema iniziale, fino a ottenere un compromesso accettabile tra diverse esigenze (funzione del circuito, dinamica di tensione e corrente, guadagni, comportamento in frequenza, stabilità). Dalla valutazione di queste, scaturisce la definizione della topologia circuitale e la scelta dei componenti, cui seguirà il corretto dimensionamento del circuito e l’aggiunta di accorgimenti correttivi per la compensazione in frequenza al fine di assicurarne la stabilità. Evidentemente, il processo che porta alla progettazione definitiva del circuito è fatto spesso di sintesi e successiva analisi, verifica dei risultati di laboratorio e correzioni. I circuiti presi a riferimento nel corso dell’esposizione, prevalentemente tratti dalle application note [1], [2] e [3] sono effettivamente il frutto di questo processo. Un’ultima puntualizzazione prima di concludere: ci sono due modi di realizzare fisicamente un booster amplifier: a) progettare il booster a componenti discreti utilizzando transistor e fet per alte correnti e/o alte tensioni; b) progettare il booster allo stesso modo dal punto di vista della topologia circuitale ma in forma più compatta, sostanzialmente a tecnica ibrida, nei contenitori classici SIP e TO (Figura 4). Oggi è abbastanza comune trovare booster amplifier in tecnica ibrida a film spesso (thick film hybrid power opamp) nei classici contenitori SIP e TO3, anche perché le caratteristiche del substrato dei circuiti ibridi sono tali da favorire la dissipazione termica. Quanto esposto costituisce un’analisi di cosa siano i booster amplifier in elettronica, come siano realizzati, come funzionino e quali siano le linee guida per la loro analisi e per la loro progettazione.
