Inestabilidad del Amplificador de Retroalimentación Negativa: Cuando la Ganancia de Lazo ≥ 1 con Desplazamiento de Fase

El Criterio de Estabilidad

Un amplificador de retroalimentación negativa oscila cuando la ganancia de lazo T(jω) = A(jω)β(jω) satisface los criterios de Barkhausen en alguna frecuencia ω₀:

• |T(jω₀)| ≥ 1 (condición de magnitud)
• ∠T(jω₀) = 0° (mod 360°) (condición de fase → retroalimentación positiva)

Por qué Sucede

1. Acumulación de Retraso de Fase: Cada polo en A(s) añade –90° de retraso asintótico. Con 3+ polos, la fase cruza –180° mientras la ganancia > 1.
2. Fase de la Red de Retroalimentación: β(s) puede añadir retraso (ej. carga capacitiva, polos parásitos).
3. Pico de Ganancia: Margen de fase insuficiente (PM < 45°) causa vibraciones; PM ≤ 0° → oscilación sostenida.

Contribuyentes Clave

• Capacitador de compensación demasiado pequeño (polo dominante no lo suficientemente bajo).
• Carga capacitiva en la salida (añade polo).
• Polos parásitos de diseño, encapsulado, PCB.
• Polos no dominantes en el op-amp (típicamente f₂, f₃).

Soluciones: Compensación de Frecuencia

• Compensación de Polo Dominante (Miller): Agregue C_c de salida a entrada inversora → empuja el primer polo bajo, corta la ganancia antes de que el segundo polo añada –90°.
• Compensación Adelante: Serie R-C en la red de retroalimentación añade +90° cerca de la frecuencia de cruce.
• Aislamiento de Carga: Resistencia en serie (50–100 Ω) fuera del lazo para amortiguar carga capacitiva.
• Reducir Ancho de Banda: Bajar ganancia en lazo cerrado → más margen de ganancia de lazo.

Verificación

• Diagrama de Bode (ganancia/fase) vía simulación (SPICE) o analizador de red.
• Objetivo: Margen de Fase ≥ 45° (60° para robustez), Margen de Ganancia ≥ 6 dB.
• Respuesta transitoria a escalón: <20% de sobreimpulso, asentamiento rápido.

Diseñe para estabilidad desde el inicio — simule la ganancia de lazo, no solo la respuesta en lazo cerrado.