- •Часть II
- •Общие сведения…………………………………………………………. 46
- •Общие сведения………………………………………………………… 51
- •Общие сведения……………………………………………………………. 80
- •Основные сокращения
- •1. Обратные связи в аэу
- •1.1. Основные понятия
- •1.2. Влияние ос на передаточные свойства устройства
- •1.3. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления
- •1.4. Влияние обратной связи на стабильность коэффициента передачи
- •1.5. Влияние обратной связи на амплитудно-частотную, фазочастотную и переходную характеристики
- •1.6. Влияние обратной связи на внутренние помехи
- •1.7. Влияние обратной связи на нелинейные искажения
- •1.7. Устойчивость устройств с обратной связью
- •2. Режимы работы и цепи питания усилительных элементов
- •2.1. Режимы работы усилительных элементов
- •2.1.1. Режим а
- •2.1.2. Режим в
- •2.1.3. Режим с
- •2.1.4. Режим d
- •2.2. Температурная нестабильность режима биполярного транзистора
- •2.3. Температурная нестабильность режима полевого транзистора
- •2.4. Методы стабилизации
- •2.5. Обобщенная схема задания и стабилизации рабочей точки
- •2.6. Схема эмиттерной стабилизации
- •2.7. Схема коллекторной стабилизации
- •2.8 Цепи питания полевых транзисторов
- •2.8.1. Цепи питания с фиксацией напряжения на затворе
- •2.8.2. Схемы истоковой стабилизации
- •2.9. Генераторы стабильного тока
- •3. Каскады предварительного усиления
- •3.1. Особенности каскадов предварительного усиления
- •3.2. Резисторный каскад на биполярном транзисторе
- •3.2.1. Принципиальная и эквивалентная схемы
- •3.2.2. Область средних частот
- •3.2.3. Область нижних частот и больших времен
- •3.2.4. Область верхних частот и малых времен
- •3.3. Коррекция амплитудно – частотных и переходных характеристик
- •3.3.1. Общие сведения
- •3.3.2. Схема эмиттерной высокочастотной коррекции
- •3.3.3. Схема индуктивной высокочастотной коррекции
- •3.3.4. Схема низкочастотной коррекции
- •3.4. Дифференциальный каскад
- •3.4.1. Общие сведения
- •3.4.2. Принцип действия
- •3.4.3. Параметры дифференциального каскада
- •3.5. Усилительные каскады на составных транзисторах
- •3.5.1. Общие сведения
- •3.5.2. Резисторный каскад на составном транзисторе
- •3.6. Усилительные каскады с динамическими нагрузками
- •4. Устойчивость операционных усилителей
- •4.1. Устойчивость многокаскадного усилителя постоянного тока
- •4.2. Условия устойчивости операционных усилителей
- •4.3. Коррекция ачх операционных усилителей
- •4.4. Косвенные признаки относительной устойчивости
- •4.5. Влияние емкости нагрузки и входной емкости на устойчивость оу
- •4.6. Частотная коррекция в цепи ос
- •5. Обработка аналоговых сигналов операционными усилителями
- •5.1. Инвертирующий усилитель
- •5.2. Неинвертирующий усилитель
- •5.3. Суммирующий усилитель
- •5 .4. Дифференциальный усилитель
- •5 .5. Интегратор
- •5.5. Дифференциатор
- •5.7. Логарифмирующие и антилогарифмирующие усилители
- •6. Перемножители напряжений
- •Общие сведения
- •6.2. Перемножители с переменной крутизной
- •6.3. Интегральные перемножители и их параметры
- •Особенности применения интегральных перемножителей
- •7. Компараторы напряжения
- •7.1. Назначение, параметры
- •7.2. Особенности применения полупроводниковых компараторов
- •7.3. Специализированные компараторы на операционных усилителях
- •Однопороговые компараторы
- •Регенераторные компараторы
- •Двухпороговые компараторы
- •8. Литература
4.2. Условия устойчивости операционных усилителей
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)
Д
Рис.4.2. АЧХ и ФЧХ
двухкаскадного ОУ
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.
К
Рис.4.3. Частотная
коррекция с помощью
шунтирующего
конденсатора
метод существенно сужает полосу пропускания и требует значительных корректирующих емкостей.
Ч
Рис.4.4. Частотная коррекция с использованием
эффекта умножения емкости:
а
– структурная схема;
б – влияние
коррекции на АЧХ
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 fc1 (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-цепи осуществляется чаще всего во входном ДК. Корректирующие элементы включаются между коллекторами транзисторов этого каскада (рис.4.5,а).
Э
Рис.4.5.
Частотная коррекция с помощью односвязной
RC–цепи:
а – принципиальная схема каскада с
коррекцией;
б–эквивалентная
схема корректирующей RC–цепи;
в – АЧХ
этой цепи
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.
П ри 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.