6.1.2. Основные параметры оу
6.1.2.1. Назначение операционных усилителей
ОУ – это микросхема, представляющая трехкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями. Ее эквивалент близок к ИНУН. микросхема предназначена для реализации функциональных модулей аналоговых устройств путем введения глубоких обратных связей (ОС) по напряжению в каскаде на ОУ. При этом АЧХ модулей определяются параметрами стабильных цепей обратных связей и мало зависят (практически не зависят) от параметров ОУ.
6.1.2.2. Режим малого сигнала.
Основными параметрами ОУ, определяющими передаточные свойства модулей на ОУ в режиме малого сигнала (амплитуда выходного напряжения на один – два порядка ниже напряжения питания ОУ), являются:
дифференциальный коэффициент усиления по напряжению на нулевой частоте;
– частота единичного усиления, при
которой модуль коэффициента передачи
ОУ равен единице (
).
схема ОУ состоит их двух каскадов УПТ (первый из них дифференциальный) и повторителя [5, 21, 22]. АЧХ ОУ определяется тремя полюсами коэффициента передачи, каждый из которых описывает АЧХ составляющих ОУ каскадов.
Линейно-ломаную аппроксимацию АЧХ ОУ в полосе частот до в двойном логарифмическом масштабе (по оси частот и по оси ) называют диаграммой Боде (рисунок 6.1).
Простейшая диаграмма Боде имеет один
полюс
,
который определяется верхней граничной
частотой (по уровню 0,707 или 3дБ) первого
каскада ОУ (граничные частоты второго
и третьего
каскадов ОУ при этом лежат выше
).
Эта диаграмма представляется ломаной линией, состоящей из двух отрезков прямых (для ее достижения обычно используется фазовая коррекция внутри микросхемы). ОУ с такими диаграммами Боде называют ОУ с внутренней коррекцией АЧХ [7-10].
В полосе частот до
коэффициент передачи ОУ с внутренней
коррекцией определяется выражением
аналогичным таковому для каскада на
полевом транзисторе с общим истоком
[21, 22]:
(6.1)
где
При
При
При
,
Простейшую диаграмму Боде имеют ОУ с внутренней коррекцией АЧХ. Она имеет крутизну ската АЧХ 6дБ/октава (см. рис. 6.1). Для такой диаграммы используется простейшая аппроксимация ФЧХ:
равномерной части диаграммы Боде соответствует фазовый сдвиг, даваемый ОУ,
0о;на частоте
;
выше
.
Выше ход АЧХ обычно не отображается на диаграмме Боде ОУ по двум причинам:
на этом участке не может быть обеспечен коэффициент усиления (по напряжению) больший единицы,
при использовании пассивных цепей обратной связи (трансформаторы напряжения обычно не используются) выше петлевое усиление
<
1, т.е. усилитель с обратной связью не
может возбудиться на частотах
>
.
При последовательной частотно-независимой
отрицательной обратной связи по
напряжению (ООС) (коэффициент обратной
связи чисто
действительная величина, т.е.
)
и коэффициент передачи определяется
выражением
(6.2)
усилитель
будет устойчив, если в соответствии с
критерием Найквиста [18, 22] годограф
петлевого усиления
не охватывает точку с координатами (
).
Другими словами, усилитель
устойчив, если одновременно не выполняются
условия баланса амплитуд и баланса фаз:
и
.
(6.3)
Очевидно (см. рис. 5.1), что при
использовании ОУ с глубокой обратной
связью (глубина ОС
)
выполняется условие баланса амплитуд
в полосе частот до
.
Это связано с тем, что
,
т.е. и
.
при использовании такого ОУ с частотно-независимой ОС ( ) условие баланса фаз не выполняется до частоты единичного усиления.
.
Последнее свидетельствует о том, что
при частотно-независимой ОС
(
)
усилитель с глубокой ОС на ОУ с
простейшей диаграммой Боде абсолютно
устойчив при любых глубинах ОС
.
Это обусловлено тем, что выше частоты
,
где может выполняться условие баланса
фаз (6.3), не выполняется условие
баланса амплитуд.