Условия устойчивости операционных усилителей - Конспект Лекций, раздел Приборостроение, Аналоговые электронные устройства Пусть Двухкаскадный Оу В Области Нижних Частот (...
Пусть двухкаскадный ОУ в области нижних частот () охвачен частотно-независимой (B=const) ООС. Как сформулировать условия устойчивость такого усилителя? На рис.4.2 приведены диаграммы Боде для АЧХ и ФЧХ ОУ без ОС (и ) и для АЧХ с ОС (,и ).
Рассмотрим действие ОС на АЧХ ОУ. Из выражения (1.11) следует, что . Чем больше глубина ОС, тем шире полоса пропускания схемы (сравните частоты среза и ), однако при этом уменьшается запас устойчивочти по фазе и увеличивается неравномерность АЧХ в области верхних частот (более подробно этот вопрос рассмотрен в разд. 4.4). Если запас устойчивости по фазе выбран , то максимальный фазовый сдвиг допустимый для ОУ составляет . На этой частоте модуль возвратного отклонения должен быть меньше единицы, т.е. K(f)B<1, т.е. . Но 1/B есть ни что иное, как коэффициент усиления ОУ с ОС на нулевой частоте . Действительно и при . Значит для устойчивой работы ОУ с запасом устойчивости необходимо выполнение условия , которое формулируется следующим образом (см.рис.4.2)
Для устойчивой работы ОУ необходимо, чтобы прямая, соответствующая усилению ОУ с ОС на нулевой частоте, пересекала АЧХ ОУ без ОС с наклоном -20дБ/дек.
Из графиков рис.4.2 следует, что . При запас устойчивости по фазе будет меньше , вследствие чего возрастает неравномерность АЧХ и схема приближается к неустойчивому состоянию.Если все же требуется больше чем глубина ОС, то необходимо в ОУ осуществить частотую коррекцию, т.е. изменить АЧХ так, чтобы она имела спад –20дБ/дек в большем интервале частот. Это уменьшает фазовый сдвиг и увеличивает запас по фазе.
4.3. Коррекция АЧХ операционных усилителей
На рис.4.3. цифрой 2 обозначена АЧХ ОУ при полной частотной коррекции. В этом случае АЧХ имеет спад –20дБ/дек вплоть до частоты , что соответствует запасу устойчивости по фазе не менее . Чаще всего такая коррекция формируется с помощью элементов, находящихся внутри ИМС. ОУ с внутренней коррекцией работают устойчиво при любой глубине ОС, они удобны в применении, если не требуется широкая полоса пропускания. При неполной частотной коррекции АЧХ ОУ занимает промежуточное положение между характеристиками без коррекции (АЧХ З) и полностью скорректированного усиления. Положение АЧХ зависит от номинальных значений R и C элементов коррекции. Для их подключения в ОУ предусматриваются специальные выводы. Обычно такая АЧХ имеет две точки излома в полосе пропускания (рис.4.3, АЧХ 1). Из рисунка видно, что ОУ может работать в большем интервале частот, но максимальная глубина ОС определяется точкой второго излома на скорректированной АЧХ.
В справочной литературе для ОУ без внутренней коррекции (например, К140Д1, Л153УД1) приводятся рекомендации по выбору внешних элементов коррекции для различных коэффициентов усиления с ОС.
Коррекция с помощью шунтирующего конденсатораявляется простейшей. Корректирующий конденсатор подключается к выходу каскада ОУ с более низкой частотой среза. Так как частоты срезов остальных каскадов не меняются, то при полной частотной коррекции необходимо выбирать емкость конденсатора (рис 4.3) такой, что скорректированная АЧХ достигала значения K=1 (0 дБ) до того, как начнется влияние второго излома(начастоте). Рассмотренный
метод существенно сужает полосу пропускания и требует значительных корректирующих емкостей.
Частотная коррекция с исполь- зованием эффекта умножения емкостив этом отношении выгодно отличается от предыдущей и получила наибольшее распространение в ИМС с внутренней коррекцией. Здесь также
используется один корректирующий конденсатор (рис.4.4,а), однако включается он между коллектором и базой транзистора второго усилительного каскада. Возникающая при этом местная ОС (параллельная ООС по напряжению) изменяет работу ОУ на высоких частотах; происходит заметное увеличение входной емкости второго каскада, которая шунтирует выход первого каскада, как в предыдущем методе коррекции. Однако в данном случае величина шунтирующей емкости равна (эффект Миллера), что позволяет получить тот же самый эффект, что и в первом случае, но при значительно меньшей емкости (уменьшается примерно с 80000 до 30 пФ). Такой корректирующий конденсатор можно реализовать внутри ИМС. Кроме того, эта местная ОС уменьшает выходное сопротивление второго каскада и приводит к увеличению частоты второго излома приблизительно с частот от сотен килогерц до десятка мегагерц. Это явление известно под названием “расщепление частот среза” (частота fc1 уменьшалась до частоты f¢c1 (рис.4.4,б), а частота возрасла до частоты ). Сравнивая рис.4.3 и 4.4,б приходим к выводу, что полная частотная коррекция при втором способе коррекции реализуется при значительно большей частоте (не менее чем на порядок) среза , т.е. при более широкой полосе пропускания.
Частотная коррекция с помошью однозвенной последовательной RC-цепиосуществляется чаще всего во входном ДК. Корректирующие элементы включаются между коллекторами транзисторов этого каскада (рис.4.5,а).
Эквивалентная схема корректирующей цепи и ее АЧХ приведены на рис.4.5,б,в. Асимптотическая аппроксимация этой АЧХ разделяет ее на три участка. В области низких частот (асимптота 1) полное сопротивление корректирующей цепи велико и она не вносит потерь. На частотах выше fz (асимптота 3) реактивное сопротивление корректирующего конденсатора мало и на АЧХ влияет только . Наклон асимптоты 2 составляет –20 дБ/дек.
Результирующая АЧХ получается путем сложения АЧХ (диаграмм Боде) некорректированного ОУ и АЧХ корректирующей цепи (рис.4.6). Емкость определяет частоту первого излома на скорректированной АЧХ. Излом АЧХ (рис.4.5,в) на частоте fz используется для компенсации первого излома на некорректированной АЧХ ОУ (рис.4.6). Излом АЧХ на частоте смещается в область более высоких частот вследствие уменьшения внутреннего сопротивления источника сигнала второго усилительного каскада.
При уменьшении емкости асимптота 2 (рис.4.5, в) смещается вправо, сохраняя отношение =const, а уменьшение сопротивления приводит к одновременному смещения асимптоты 2 вправо и асимптоты 3 вниз. Изменяя элементы коррекции, можно получить промежуточные характеристики между полностью скорректированными и некорректированными характеристиками.
АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА. ЧАСТЬ II. Конспект лекций для студентов специальности “Радиотехника” всех форм обучения...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Условия устойчивости операционных усилителей
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Влияние ОС на передаточные свойства
устройства
Основное назначение ОС – передача сигнала с выхода устройства на его вход. Кроме того, существует и побочное (как правило нежелательное) влияние ОС на параметры и характ
Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления
Влияние ОС на входное сопротивление зависит от знака, глубины и способа подачи ОС на вход устройства и не зависит от способа снятия ОС с его выхода.
Для получения количественных со
Влияние обратной связи на стабильность коэффициента передачи
В рабочих условиях коэффициент передачи любого устройства не остается постоянной величиной, так как на него воздействуют такие дестабилизирующие факторы как изменение напряжения питания, колебания
Влияние обратной связи на внутренние помехи
Внутренние помехи усилителя ограничивают тот минимальный сигнал, который может быть усилен усилителем без заметных искажений, т.е. ухудшают чувствительность усилителя.
Введение ООС привод
Влияние обратной связи на нелинейные искажения
Введение ООС позволяет уменьшить нелинейные искажения, возникающие в усилителе. Физически это можно объяснить тем, что посторонние составляющие выходного напряжения или тока – гармоники и комбинаци
Устойчивость устройств с обратной связью
Как уже отмечалось в разд.1.1 ООС широко используется в АЭУ для улучшения параметров и характеристик этих устройств. Из-за фазовых сдвигов, вносимых устройством и ЦОС ООС может оказаться положитель
Режим В
Режимом В называют такой режим, при котором ток в выходной цепи УЭ существует в течение половины периода сигнала.
Режим С
В режиме С, так же как в режиме В, УЭ работает с отсечкой выходного тока. Причем угол отсечки q < p/2. Для этого рабочая точка должна располагаться левее точки пересечения спря
Режим D
В режиме D УЭ работает как электронный ключ, т.е. УЭ или закрыт, или открыт. В первом случае через УЭ протекает незначительный ток, а во втором мало падение напряжения на нем. Поэтому и
Температурная нестабильность режима полевого транзистора
Как у всех приборов, построенных на основе полупроводниковых структур, свойства полевого транзистора (ПТ), а значит и его режим работы зависит от температуры.
С увеличением температуры ум
Методы стабилизации
Существуют два метода стабилизации режима работы УЭ:
- параметрический (компенсация температурных изменений);
- автоматический (при помощи ООС).
В первом
Схема эмиттерной стабилизации
Схема эмиттерной стабилизации (рис.2.10) является самой распространенной схемой. Стабилизация осуществляется за счет последовательной ООС по току, возникающей из-за наличия в схеме резистора
Схемы истоковой стабилизации
Эти схемы (рис.2.13) обладают лучшей стабильностью, чем цепи на рис. 2.12, так как за счет
Генераторы стабильного тока
Рассмотренные в предыдущих разделах автоматические способы стабилизации режима в аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) не желательны, так как они требуют применение высокоомных резисторов, зани
Особенности каскадов предварительного усиления
Назначение каскадов предварительного усиления (КПУ) – повышение уровня входного сигнала до значения, при котором обеспечивается нормальное возбуждение мощного выходного каскада. Поэтому
Принципиальная и эквивалентная схемы
Достоинством резисторного каскада кроме простоты и малых размеров, является способность создавать равномерное усиление в широкой полосе частот и нечувствительность к воздействию переменных магнитны
Область средних частот
Для любого линейного четырёхполюсника коэффициент передачи по напряжению (табл. 4.1 в [1])
Область верхних частот и малых времен
Эквивалентная схема каскада для этого диапазона частот (времен) приведена на рис. 3.3, в.
Подставляя (3.2) в (3.1) и учитывая, что
Схема эмиттерной высокочастотной коррекции
Схема такой ВЧ коррекции приведена на рис. 3.13. Здесь RКОР, СКОР – корректирующие элементы, RЭ, СЭ – элементы схемы эмиттерн
Схема низкочастотной коррекции
НЧ коррекция чаще всего осуществляется постановкой RФCФ - фильтра в цепь питания (рис. 3.19).
АЧХ для разных значений СФ изображены на рис.
Принцип действия
Пусть на вход ДК, симметрично относительно оси А-А¢ (рис. 3.22), поступают синфазные сигналы (СС), т.е. сигналы, амплитуды и фазы которых совпадают.
Параметры дифференциального каскада
Входное сопротивление для ДС (RВХ) – это сопротивление между полюсами 1–0 (рис. 3.24). Со стороны источника сигнала VT1 включён по схеме ОК с нагрузкой
Усилительные каскады с
динамическими нагрузками
Повышение коэффициента усиления любого кас
Устойчивость многокаскадного усилителя постоянного тока
Пусть многокаскадный УПТ на нулевой частоте охвачен частотно-независимой (В=const) ООС. За счет дополнительных фазовых сдвигов в области верхних частот ООС переходит в положительную и при возвра
Влияние емкости нагрузки и входной емкости на устойчивость ОУ
Пусть ОУ без ОС является системой первого порядка, т.е. его АЧХ не имеет изломов и спадает со скоростью –20дБ/дек. Если ОС частотно-независимая, то порядок возвратного отношения также будет первым
Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель (ИУ) – это усилитель, обладающий стабильным (наперёд заданным) коэффициентом усиления с разностью фаз между входным и выходным сигналами 180°.
ИУ является о
Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель (НУ) – это усилитель, обладающий стабильным коэффициентом усиления при нулевой разности фаз между входными и выходными сигналами.
Суммирующий усилитель
Суммирующий усилитель (сумматор) суммирует сигналы, подаваемые на вход.
Сумматор представляет собой расширение инвертора напряжения путём подключения к инвертирующему входу ОУ допо
Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух входных напряжений (рис. 5.9).
Стабилизация коэффициентов усиления ДУ так же, как и для инвертир
Дифференциатор
Дифференциатор (ДФ) – это устройство, у которого выходной сигнал пропорционален производной по времени от входного сигнала
Логарифмирующие и антилогарифмирующие усилители
Логарифмирующий усилитель (ЛУ) – это устройство, у которого выходная переменная, например напряжения, пропорциональна логарифму входной переменной.
ЛУ используются при сжатии (
Перемножители с переменной крутизной
Идея этого метода проста: один сигнал изменяет крутизну активного элемента, который усиливает другой входной сигнал. В результате выходное напряжение схемы будет пропорционально произведению входны
Назначение, параметры
Компараторы являются простейшими аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), т.е. устройствами, преобразующими непрерывный сигнал в дискретный.Они предназначены для сравнения входного сиг
Особенности применения полупроводниковых компараторов
Компараторы, получившие наибольшее распространение, можно разделить на четыре группы: общего применения (К521СА2, К521СА5) , прецизионные (К521СА3, К597СА3), быстродействующие (К597СА1, К597СА2) и
Специализированные компараторы на операционных усилителях
При сравнении низкочастотных сигналов с высокой точностью (десятки микровольт) при минимальной потребляемой мощности использование компараторов на базе ОУ часто оказывается более предпочтительное,
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
) охвачен частотно-независимой (B=const) ООС. Как сформулировать условия устойчивость такого усилителя? На рис.4.2 приведены диаграммы Боде для АЧХ и ФЧХ ОУ без ОС (
и 
) и для АЧХ с ОС (
,
и 
).
. Чем больше глубина ОС, тем шире полоса пропускания схемы (сравните частоты среза 
и 
), однако при этом уменьшается запас устойчивочти по фазе 
и увеличивается неравномерность АЧХ в области верхних частот (более подробно этот вопрос рассмотрен в разд. 4.4). Если запас устойчивости по фазе выбран 
, то максимальный фазовый сдвиг допустимый для ОУ составляет 
. На этой частоте модуль возвратного отклонения 
должен быть меньше единицы, т.е. K(f)B<1, т.е. 
. Но 1/B есть ни что иное, как коэффициент усиления ОУ с ОС на нулевой частоте 
. Действительно 
и при 
. Значит для устойчивой работы ОУ с запасом устойчивости 
необходимо выполнение условия 
, которое формулируется следующим образом (см.рис.4.2)
. При 
запас устойчивости по фазе будет меньше 
глубина ОС, то необходимо в ОУ осуществить частотую коррекцию, т.е. изменить АЧХ так, чтобы она имела спад –20дБ/дек в большем интервале частот. Это уменьшает фазовый сдвиг и увеличивает запас по фазе.
, что соответствует запасу устойчивости по фазе не менее 
. Чаще всего такая коррекция формируется с помощью элементов, находящихся внутри ИМС. ОУ с внутренней коррекцией работают устойчиво при любой глубине ОС, они удобны в применении, если не требуется широкая полоса пропускания. При неполной частотной коррекции АЧХ ОУ занимает промежуточное положение между характеристиками без коррекции (АЧХ З) и полностью скорректированного усиления. Положение АЧХ зависит от номинальных значений R и C элементов коррекции. Для их подключения в ОУ предусматриваются специальные выводы. Обычно такая АЧХ имеет две точки излома в полосе пропускания (рис.4.3, АЧХ 1). Из рисунка видно, что ОУ может работать в большем интервале частот, но максимальная глубина ОС определяется точкой второго излома на скорректированной АЧХ.
Коррекция с помощью шунтирующего конденсатораявляется простейшей. Корректирующий конденсатор подключается к выходу каскада ОУ с более низкой частотой среза. Так как частоты срезов остальных каскадов не меняются, то при полной частотной коррекции необходимо выбирать емкость конденсатора 
(рис 4.3) такой, что скорректированная АЧХ достигала значения K=1 (0 дБ) до того, как начнется влияние второго излома(начастоте
). Рассмотренный
Частотная коррекция с исполь- зованием эффекта умножения емкостив этом отношении выгодно отличается от предыдущей и получила наибольшее распространение в ИМС с внутренней коррекцией. Здесь также
(эффект Миллера), что позволяет получить тот же самый эффект, что и в первом случае, но при значительно меньшей емкости 
(
). Сравнивая рис.4.3 и 4.4,б приходим к выводу, что полная частотная коррекция при втором способе коррекции реализуется при значительно большей частоте (не менее чем на порядок) среза 
, т.е. при более широкой полосе пропускания.
. Наклон асимптоты 2 составляет –20 дБ/дек.
определяет частоту первого излома на скорректированной АЧХ. Излом АЧХ 
(рис.4.5,в) на частоте fz используется для компенсации первого излома на некорректированной АЧХ ОУ (рис.4.6). Излом АЧХ на частоте 
При уменьшении емкости 
=const, а уменьшение сопротивления 
Новости и инфо для студентов