Размещено на http://www.allbest.ru/

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя. Коррекция ОУ

1. Диаграмма Боде

Напомним, что за счет шунтирующего влияния паразитной емкости собственный коэффициент усиления на верхних частотах уменьшается. Эквивалентная схема одного каскада в области высоких частот (ВЧ) представлена на рис. 1.

Рис. 1 Эквивалентная схема на ВЧ

По этой эквивалентной схеме можно выразить амплитудно-частотную характеристику

(1)

где: f_с частота среза (полюс), равная верхней граничной частоте

f_c= 1/2RC (2)

Из выражения (1) видно, что частотную характеристику такого каскада можно аппроксимировать двумя асимптотами, рис.2:

на нижних частотах, при ffc, f/fc 1,

K(f) =K₀;

на высоких частотах, при f fc, f/fc>>1, K(f)= К₀ fc/f.

Рис. 2 Кусочно-линейная аппроксимация АЧХ (Диаграмма Боде)

Аппроксимированная АЧХ называется диаграммой Боде. В области высоких частот, т.е. f/f_c 1, коэффициент усиления обратно пропорционален частоте. При увеличении частоты в 10 раз (декада) он уменьшается в 10 раз, т.е. на 20 дБ/дек.

Поскольку ОУ имеют большой собственный коэффициент усиления К 10⁵, то частотная характеристика K(f) строится в двойном логарифмическом масштабе. Переход к логарифмической единице при рассмотрении многокаскадных усилителей упрощает построение общей АЧХ, так как общий коэффициент усиления определяется простым сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов. При построении фазовой характеристики используется кусочно-линейная или ступенчетая аппроксимация (рис. 2.).

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель состоящий из различных по структуре каскадов. Поэтому общую эквивалентную схему ОУ можно представить как эквивалентный генератор, нагруженный на несколько RC-цепей, рис. 3.

Рис. 3 Эквивалентная схема операционного усилителя

Обычно число таких цепей соответствует числу каскадов. Частоты срезов (полюса) для данной эквивалентной схемы определяются:

(3)

Аппроксимированная АЧХ ОУ строится сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов, рис. 4.

Пусть f_c1 =10⁴ Гц, f_c2=10⁵ Гц, f_c3=10⁶ Гц

При частотах f<fc, K'_0дб =К_01дб +К_02дб +К_03дб.

При f_с1<f <f_c2 К(f) определяется R1C1 и имеет спад - 20 дБ/дек;

при f_с2<f <f_c3 суммируется влияние R1C1 и R2C2,спад K(f) -40 дБ/дек;

при f > f_с3 суммируется влияние всех трех звеньев и спад K(f) -60дБ/дек.

Надо отметить, что рабочая область K(f) ОУ простирается до частоты единичного усиления f_Т, на которой K(f)=1(КдБ= 0),

Из фазовой характеристики ОУ (рис.4) видно, что на f_c1=45 на f_c2-135°. При f > f_c2, т.e. при f=f_kp, =-180°

Это означает, что на данной частоте ООС превращается в ПОС, что приводит к самовозбуждению усилителя.

Рис. 4 Построение АЧХ операционного усилителя

2. Обеспечение устойчивости ОУ

ОУ представляет собой многокаскадный усилитель с глубокой ООС. Основное требование, предъявляемое к таким усилителям - его устойчивая работа, т.е. отсутствие генерации. Самовозбуждение в ОУ с глубокой ООС может возникнуть из-за того, что на частотах, где усилитель вместе с цепью ООС вносит дополнительный сдвиг фазы, _доп=180. В этой случае ООС становится положительной

при К=1. К_пос,

что соответствует самовозбуждению ОУ. Таким образом, генерация может возникнуть при выполнении условий;

баланса фаз _ос+_доп =0;

баланса амплитуд К=1.

Если ц_доп меньше - 180⁰, то возникают затухающие колебания.

Чем больше запас по фазе _зап=_оос+_доп, тем больше затухание. Поэтому _зап является критерием устойчивости ОУ. При _зап=65⁰ получаются наилучшие переходные и частотные характеристики.

Для обеспечения устойчивости ОУ пользуются критерием Найквиста, известный из курса PTЦС: усилитель с ООС устойчив, если его частотно-фазовая характеристика коэффициента петли ОС, описываемая концом вектора К, при изменении частоты от 0 до не охватывает точку с координатами 1,0.

Из критерия Наиквиста следует, что для обеспечения устойчивости ОУ на частотах, где _доп достигает -180, принимают меры, снижающие коэффициент передачи К. Поскольку частотно-независимая ОС на всех частотах имеет =пост, то приходится уменьшать К(f) в области критических частот. Уменьшение K(f) (коррекции АЧХ) достигается с помощью корректирующих цепей.

3. Коррекция частотной характеристики ОУ

ОУ для универсального применения с целью обеспечения устойчивой работы должны быть скорректированы, т.е. фазовый сдвиг его выходного сигнала К (f) > 1 должен быть меньше 120. При этом для любого значения 01 запас по фазе будет составлять не менее 60. Для этого в схеме ОУ или в качестве внешнего компонента подключают емкость коррекции С_к, так, чтобы частотная характеристика К (f) удовлетворяла частотной характеристике ФНЧ первого порядка. Подключение этой емкости на выходе ОУ срезает частотную характеристику и обеспечивает ее спад на -20 дБ/дек, рис. 5.

Рис. 5 Коррекция частотной характеристики ОУ

Надо отметить, что при коррекции разомкнутого ОУ значительно уменьшается f_tк. Емкость корректирующего конденсатора можно рассчитать

, (4)

где S_д - крутизна первого дифференциального каскада, f_tк - частота единичного усиления ОУ с коррекцией.

Полная внутренная частотная коррекция бывает не выгодна, так как сужается полоса пропускания. Обычно осуществляют частичную внутренную коррекцию. Кроме внутренней выполняют дополнительную (внешную) коррекцию с помощью навесной емкости С_к, номинал которой задается в справочниках.

операционный усилитель частота амплитудный

Список литературы

1. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства; БХВ-Петербург - Москва, 2004. 488 c.

2. Авдеев В. А. Периферийные устройства. Интерфейсы, схемотехника, программирование; ДМК Пресс - Москва, 2012. 848 c.

3. Авдеев В.А. Периферийные устройства. Интерфейсы, схемотехника, программирование; Книга по Требованию. Москва, 2009. 848 c.

4. Аверченков О. Е. Схемотехника. Аппаратура и программы; ДМК Пресс - Москва, 2012. 588 c.

5. Амосов В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств; БХВ-Петербург - Москва, 2007. 560 c.

6. Ашихмин А. С. Цифровая схемотехника. Шаг за шагом; Диалог-МИФИ -, 2008. 304 c.

7. Блум Хансиоахим Схемотехника и применение мощных импульсных устройств; Додэка XXI - Москва, 2008. 352 c.

8. Бойко В., др. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства; БХВ-Петербург - Москва, 2004. 506 c.

9. Гальперин М. В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике; Энергоатомиздат. Москва, 1987. 320 c.

10. Дуглас С. Схемотехника современных усилителей; Книга по Требованию. Москва, 2011. 528 c.

11. Кучумов А. И. Электроника и схемотехника; Гелеос АРВ - Москва, 2005. 336 c.

12. Лаврентьев Б. Ф. Схемотехника электронных средств; Академия. Москва, 2010. 336 c.

13. Лехин С. Н. Схемотехника ЭВМ; БХВ-Петербург. Москва, 2010. 672 c.

14. Павлов В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств; Академия - Москва, 2008. 288 c.

15. Перепелкин Д. А. Схемотехника усилительных устройств; Полигон, АСТ, Харвест - Москва, 2013. 238 c.

16. Полонников Д. Е. Операционные усилители. Принципы построения, теория, схемотехника; Энергоатомиздат. Москва, 1983. 216 c.

Размещено на Allbest.ru