Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ для малого сигнала

Операционные усилители, имеющие трехкаскадную структуру для малого сигнала обладают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами.

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ, снятые в режиме малого сигнала, имеют вид, изображенный на рис. 5.

Плавные кривые линии − реальные характеристики, ломаные прямые − их аппроксимации. Наиболее распространенной является аппроксимация частотной характеристики отрезками прямых, наклон которых соответствует n·20дБ/декаду, а фазовой − участками, фазовый сдвиг на которых равен n·, где n = 0,1,2,... (так называемые диаграммы Боде).

Диаграммы Боде соответствуют внутренней структуре частотной и фазовой характеристик многокаскадного ОУ, которые складываются из характеристик отдельных каскадов

 

,

.

Рис. 5. Малосигнальные характеристики трехкаскадного ОУ:

а − амплитудно-частотная;

б − фазово-частотная

 

Характеристики отдельных каскадов близки к характеристикам эквивалентной RC-цепи:

 

,

;

 

0 ,

,

 

где − верхняя граничная частота i-го каскада,

− постоянная времени эквивалентной RC-цепи i-го каскада.

Таким образом, частоты излома характеристик ОУ соответствуют (примерно) граничным частотам отдельных каскадов. Погрешность аппроксимации не превышает обычно 3 дБ для частотной и π/4 для фазовой характеристики, что часто достаточно для практических целей пользования ОУ. Следует иметь в виду, что если граничные частоты отдельных каскадов близки друг к другу, то реальные характеристики не показывают в явном виде изломы, соответствующие аппроксимации по Боде.

Параметры амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик:

− верхняя граничная частота ОУ с разомкнутой обратной связью, измеренная в режиме малого сигнала. Ее величина определяется частотной характеристикой самого инерционного каскада ОУ и, в свою очередь, определяет ход переходной характеристики ОУ;

− частота единичного усиления – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице;

− частота, на которой внутренний фазовый сдвиг в ОУ достигает величины p радиан (180⁰). При применении ОУ с внешней частотно-независимой отрицательной обратной связью именно на этой частоте возникает самовозбуждение, если на ней петлевое усиление.

Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что АЧХ обладает только двумя полюсами и имеет только две частоты излома и .

В целях обеспечения устойчивости ОУ вводится коррекция АЧХ. В трехкаскадном ОУ используются две RC – цепи, подключаемые к УН и УА, которые создают дополнительную задержку по фазе высокочастотного сигнала до π и тем самым обеспечивают устойчивую работу усилителя. Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что для коррекции его АЧХ в целях обеспечения устойчивости при ООС необходима лишь одна емкость . На рис. 6 приведена упрощенная структурная схема двухкаскадного ОУ с учетом коррекции АЧХ.

Рис. 6. Упрощенная структурная схема двухкаскадного ОУ

с коррекцией АЧХ

(K₁, K ₂, K ₃ – коэффициенты усиления ДУ, УА, ЭП соответственно)

 

Полагая, что АЧХ ОУ будет определять в основном второй каскад, практически выполняющий операцию интегрирования, АЧХ имеет вид [11]

 

,

 

где − коэффициент усиления ДУ;

− коэффициент усиления УА в области средней частоты;

= 1 − коэффициент усиления ЭП;

− постоянная времени.

Рис. 7. Малосигнальная АЧХ двухкаскадного ОУ

Таким образом, малосигнальная АЧХ двухкаскадного ОУ принимает вид, изображенный на рис. 7, отображает закон уменьшения коэффициента усиления с изменением частоты f и имеет две особые точки: граничную частоту и частоту единичного усиления .