Oscilación parásita
La oscilación parásita es una oscilación electrónica indeseable (variación cíclica en el voltaje o la corriente de salida) en un dispositivo electrónico o digital. A menudo es causada por la retroalimentación en un dispositivo amplificador. El problema ocurre notablemente en RF , [1] audio y otros amplificadores electrónicos [2] así como en el procesamiento de señales digitales . [3] Es uno de los problemas fundamentales abordados por la teoría de control . [4] [5] [6]
La oscilación parásita es indeseable por varias razones. Las oscilaciones pueden estar acopladas a otros circuitos o irradiarse como ondas de radio , causando interferencia electromagnética (EMI) a otros dispositivos. En los sistemas de audio, las oscilaciones parásitas a veces se pueden escuchar como sonidos molestos en los altavoces o auriculares. Las oscilaciones desperdician energía y pueden causar un calentamiento no deseado. Por ejemplo, un amplificador de potencia de audio que entra en oscilación parásita puede generar suficiente energía para dañar los altavoces conectados . Un circuito que oscila no amplificará linealmente, por lo que las señales deseadas que pasan por la etapa se distorsionarán. En los circuitos digitales, las oscilaciones parásitas solo pueden ocurrir en transiciones lógicas particulares y pueden dar como resultado un funcionamiento errático de las etapas posteriores; por ejemplo, una etapa de contador puede ver muchos pulsos espurios y contar de manera errática.
Causas
La oscilación parásita en una etapa de amplificación se produce cuando parte de la energía de salida se acopla a la entrada, con la fase y amplitud correctas para proporcionar una retroalimentación positiva a cierta frecuencia. El acoplamiento puede ocurrir directamente entre el cableado de entrada y salida con capacitancia parásita o inductancia mutua entre la entrada y la salida. En algunos dispositivos electrónicos de estado sólido o de vacío, hay suficiente capacitancia interna para proporcionar una ruta de retroalimentación. Dado que la tierra es común tanto para la entrada como para la salida, la corriente de salida que fluye a través de la impedancia de la conexión a tierra también puede acoplar señales de regreso a la entrada.
De manera similar, la impedancia en la fuente de alimentación puede acoplar la entrada a la salida y causar oscilación. Cuando se utiliza una fuente de alimentación común para varias etapas de amplificación, el voltaje de alimentación puede variar con la corriente cambiante en la etapa de salida. Los cambios de voltaje de la fuente de alimentación aparecerán en la etapa de entrada como retroalimentación positiva. Un ejemplo es una radio de transistores que funciona bien con una batería nueva, pero que chirría o " hace ruido " cuando la batería está vieja.
En los sistemas de audio, si se coloca un micrófono cerca de un altavoz, pueden producirse oscilaciones parásitas. Esto se debe a la retroalimentación positiva, desde la salida del amplificador al altavoz, a las ondas de sonido y de regreso a través del micrófono a la entrada del amplificador. Consulte Retroalimentación de audio .
Condiciones
La teoría del control por retroalimentación se desarrolló para abordar el problema de la oscilación parásita en los sistemas de servocontrol : los sistemas oscilaban en lugar de realizar su función prevista, por ejemplo, el control de velocidad en los motores. El criterio de estabilidad de Barkhausen proporciona la condición necesaria para la oscilación: la ganancia del bucle alrededor del bucle de retroalimentación, que es igual a la ganancia del amplificador multiplicada por la función de transferencia de la ruta de retroalimentación inadvertida, debe ser igual a uno, y el cambio de fase alrededor del bucle debe ser cero o un múltiplo de 360° (2π radianes ).
En la práctica, la retroalimentación puede producirse en un rango de frecuencias (por ejemplo, el rango de funcionamiento de un amplificador); en varias frecuencias, la fase del amplificador puede ser diferente. Si hay una frecuencia en la que la retroalimentación es positiva y también se cumple la condición de amplitud, el sistema oscilará en esa frecuencia.
Estas condiciones se pueden expresar en términos matemáticos mediante el diagrama de Nyquist . Otro método utilizado en la teoría de bucles de control utiliza diagramas de Bode de ganancia y fase en función de la frecuencia. Mediante el uso de diagramas de Bode, un ingeniero de diseño verifica si existe una frecuencia en la que se cumplan ambas condiciones para las oscilaciones: la fase es cero ( retroalimentación positiva ) y la ganancia del bucle es 1 o mayor.
Cuando se producen oscilaciones parásitas, el diseñador puede utilizar diversas herramientas de ingeniería de bucles de control para corregir la situación (reducir la ganancia o cambiar la fase en frecuencias problemáticas).
Mitigación
Se utilizan varias medidas para evitar la oscilación parásita. Los circuitos amplificadores se disponen de forma que el cableado de entrada y salida no sean adyacentes, lo que evita el acoplamiento capacitivo o inductivo. Se puede colocar un blindaje metálico sobre las partes sensibles del circuito. Se pueden colocar condensadores de derivación en las conexiones de la fuente de alimentación para proporcionar una ruta de baja impedancia para las señales de CA y evitar el acoplamiento entre etapas a través de la fuente de alimentación. Cuando se utilizan placas de circuito impreso , las etapas de alta y baja potencia se separan y las trazas de retorno a tierra se disponen de forma que no fluyan corrientes intensas en partes compartidas mutuamente de la traza de tierra. En algunos casos, el problema solo se puede resolver mediante la introducción de otra red de neutralización de retroalimentación , calculada y ajustada para eliminar la retroalimentación negativa dentro de la banda de paso del dispositivo amplificador. Un ejemplo clásico es el circuito Neutrodyne utilizado en los receptores de radiofrecuencia sintonizados .
Véase también
- Colisión de trenes en el metro de Washington en junio de 2009 , accidente mortal causado por oscilaciones parásitas en los circuitos de señal [7]
Referencias
- ^ Whitaker, Jerry C. (2005). Manual de electrónica. CRC Press. pág. 404. ISBN 978-0-8493-1889-4.
- ^ Weber, Gerald (1994). Una referencia de escritorio de los amplificadores de guitarra clásicos más modernos. Hal Leonard. pág. 220. ISBN 978-0-9641060-0-0.
- ^ Wanhammar, Lars (1999). Circuitos integrados DSP. Academic Press. pág. 188. ISBN 978-0-12-734530-7.
- ^ Richard R Spencer y Ghausi MS (2003). Introducción al diseño de circuitos electrónicos. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall/Pearson Education. pp. 661. ISBN 0-201-36183-3 . http://worldcat.org/isbn/0-201-36183-3.
- ^ Araki, M., Control PID, http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C18/E6-43-03-03.pdf
- ^ P. Horowitz y W. Hill The Art of Electronics Cambridge University Press (1980) Capítulo 3, relacionado con los amplificadores operacionales.
- ^ National Transportation Safety Board (27 de julio de 2010). Choque de dos trenes de la Autoridad de Tránsito del Área Metropolitana de Washington cerca de la estación Fort Totten (PDF) . National Transportation Safety Board. p. xi . Consultado el 19 de noviembre de 2020 .
