Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебно-методическое пособие
.pdf
Если воспользоваться обозначениями, показанными на рис. 8.3, то
fkf
f
f
f
f
f
коэффициент затухания будет
1
, (8.1)
c
2
1
где
– частота второго излома, а
c
Значит, для увеличения
k, т. е. для повышения относительной устойчи-
– частота единичного усиления.
1
вости схемы (увеличения запаса устойчивости по фазе), необходимо
увеличивать
, т. е. увеличивать протяженность участка АЧХ со ско-
c
ростью спадания 20 дБ/дек, а это можно сделать, применяя частотную
коррекцию АЧХ ОУ.
Вопросы частотной коррекции ОУ достаточно полно изложены в [2].
С ними следует внимательно ознакомиться при подготовке к защите
лабораторной работы. Здесь же хотелось бы отметить, что применение
корректирующих цепей сужает
полосу пропускания ОУ (ухудшается
быстродействие, т. е. способность усилителя реагировать на быстрые
изменения входного сигнала).
Исследуемый в лабораторной работе ОУ TL081CP
нюю
коррекцию. В этом случае АЧХ ОУ имеет спад –20 дБ/дек вплоть
2
до частоты
менее 65
о
[2], что соответствует запасу устойчивости по фазе не
1
. Чаще всего такая коррекция формируется с помощью эле-
имеет внутрен-
ментов, находящихся внутри ИМС. ОУ с внутренней коррекцией работают устойчиво при любой глубине ОС, они удобны в применении,
если не требуется широкая полоса пропускания.
Влияние емкости нагрузки на устойчивость ОУ
Предположим, что АЧХ ОУ полностью скорректирована, т. е. в ак-
тивной полосе частот (
K( f ) > 1) АЧХ не имеет изломов и спадает со
скоростью 20 дБ/дек. Значит, ОУ будет системой первого порядка.
Охватим ОУ частотно-независимой ОС (коэффициент передачи цепи
ОС не зависит от частоты). Порядок операционной схемы останется
первым (сколько изломов в диаграмме Боде петлевого усиления – таков
и порядок схемы). Теперь учтем влияние емкости нагрузки (
ОУ характеризуется частотой единичного усиления
ным выходным сопротивлением
R
вых
(рис. 8.5,
а). Выходной емкостью
и действитель-
1
рис. 8.5).
ОУ или пренебрегают, или относят к емкости нагрузки.
71
f1f
р
М
f
f
R
u
1
вх
Ku
u
д
R
2
выхuxx
R
вых
u
вых
С
н
0
а
, дБBpKp
20 дБ/дек
б
c
f
С
н
Рис. 8.5. Влияние емкости нагрузки на устойчивость ОУ:
а эквивалентная схема; б АЧХ
Инерционное звено, образованное
R С , создает полюс на час-
вых н
тоте
f
с
На этой частоте возникает излом (рис. 8.5,
1
CR
2
нвых
. (8.2)
б) и далее АЧХ спадает
со скоростью 40 дБ/дек, т. е. усилитель ведет себя как операционная
схема второго порядка с коэффициентом затухания
f
11
k
При возрастании емкости
и уменьшается запас устойчивости по фазе Ф
с
f
2
1
С уменьшается k, возрастают
22
н
fC R
1 нвых
. (8.3)
(см. табл. 8.1), т. е.
m
,
схема приближается к неустойчивому состоянию. Это объясняется
тем, что на высоких частотах емкость нагрузки
С вносит дополни-
н
тельные фазовые сдвиги и ОС меняет знак – из отрицательной становится положительной, это вызывает подъем АЧХ и выброс на переходной характеристике.
Из (8.3) следует, что при
хания
k тем меньше, чем больше частота единичного усиления ОУ
Этот факт служит одной из причин того, почему частота
constС
,
constf
н
с
коэффициент зату-
1
для ОУ
1
широкого применения выбирается около 1 MГц (не выше!).
.
72
Влияние входной емкости на устойчивость ОУ
f1f
B
R
Наличие входной емкости ОУ
С
(рис. 8.6, а) уменьшает запас
вх
устойчивости схемы, переходная характеристика принимает вид затухающей синусоиды (рис. 8.6,
б).
R
u
вх
1
C
вх
а
R
2
u
вых
0
, дБBpKp
20 дБ/дек
c
б
f
С
вх
Рис. 8.6. Влияние входной емкости на устойчивость ОУ:
а – эквивалентная схема; б – АЧХ
Если, как и прежде, считать ОУ без ОС системой первого порядка
(ОУ полностью скорректирован), то при учете входной емкости
С
вх
порядок петлевого усиления будет вторым, так как ОС станет частотно-зависимой и
B
BP
()
1
0
PC R
вх 1
, (8.4)
где
RR – коэффициент передачи ЦОС на нулевой частоте.
012
Второй полюс возникнет на частоте
f
с
1
С R
2
. (8.5)
вх 1
Дальнейшие рассуждения идентичны предыдущему случаю (влия-
ние емкости нагрузки
R
а
вых
на
.
1
С ), только необходимо заменить нС на вхС ,
н
73
Частотная коррекция в цепи ОС
p
p
R
R
Как мы только что выяснили, наличие
C
вх
С
и
уменьшает запас
н
устойчивости схемы. Это в лучшем случае приведет к искажениям
АЧХ в области верхних частот и ПХ в области малых времен и в худшем – к возбуждению усилителя. Как скомпенсировать (уменьшить)
вредное влияние этих емкостей?
Компенсация входной емкости
Исходный полностью скорректированный ОУ при введении ОС
превращается в схему второго порядка из-за частотной зависимости
коэффициента передачи ЦОС (8.4). Попробуем изменить ЦОС так,
чтобы ее коэффициент передачи не зависел от частоты. Для этого параллельно резистору
R2 включим конденсатор С малой емкости
(рис. 8.7), тогда выражение (8.4) примет вид
1
CR
u
вх
()
Bp B
1
C
вх
0
1
2
CR
вх 1
2
. (8.6)
u
вых
Рис. 8.7. Компенсация входной емкости
Если подобрать емкость конденсатора С таким образом, чтобы выполнялось условие
CR C R
2 вх 1
то получим частотно-независимый делитель в ЦОС
,
(() const)Bp B
0
и операционную схему первого порядка. Так как при полной коррек-
2ff
ции
c1
[2], то коэффициент затухания
74
1
R
k
2 0,707
, (8.7)
2
резонансный пик
, перерегулирование ≈ 4,7 % и запас устой-
0М
р
чивости по фазе примерно 65° (табл. 8.1).
Однако возникает дополнительный эффект. За счет конденсатора
С
возрастает глубина отрицательной ОС в области верхних частот, что
приводит к сужению полосы пропускания усилителя в этой области
частот и к возрастанию времени установления ПХ. Это плата за повышение относительной устойчивости схемы!
Компенсация емкости нагрузки
Как уже отмечалось, наличие емкости нагрузки
нительному излому АЧХ петлевого усиления |
С
приводит к допол-
н
K(p)B(p)| (см. рис. 8.5, б),
что вызывает уменьшение запаса устойчивости по фазе.
Одним из методов борьбы с влиянием емкости
С
является подбор
н
ОУ с низким выходным сопротивлением. Чем ниже выходное сопро-
С
тивление ОУ, тем на большую емкость
он может работать без по-
н
тери устойчивости, так как при этом возрастает частота второго излома
(частота полюса) (8.2) вследствие уменьшения постоянной време-
R С
ни
вых н
.
Избежать самовозбуждения можно также, используя дополнительный резистор
ОУ (рис. 8.8,
R , отключающий емкость нагрузки от выхода
доп
а), в этом случае ОС становится частотно-независимой,
операционная схема приобретает первый порядок, что обеспечивает
требуемый запас устойчивости. Однако вместе с тем утрачивается
полезное свойство ОУ – независимость выходного напряжения от
нагрузки, так как увеличивается выходное сопротивление операционной схемы.
Выходное сопротивление ОУ снова вернется к низкоомному значению, если сопротивление
пенсирующий конденсатор
тирующим входом (рис. 8.8,
R
включить в петлю ОС и добавить ком-
доп
С малой емкости между выходом и инвер-
б). В этом случае возникает два парал-
лельных канала передачи сигнала в ЦОС: по постоянному (за счет сопротивления
) и переменному (через конденсатор С) току. Работу
2
канала по постоянному току мы обсудили выше. За счет дополнитель-
75
ного фазового сдвига, вносимого емкостной нагрузкой, могут возник-
R
R
R
R
R
R
R
нуть автоколебания. Этому препятствует канал ОС по переменному
току, так как конденсатор
без дополнительного фазового сдвига (емкость
С передает выходное напряжение на вход
С
входит в данную
н
петлю ОС). В области высоких частот благодаря низкому сопротивлению конденсатора
С глубина ОС по каналу переменного тока будет
больше, чем по каналу постоянного тока. Происходит компенсация
вредного влияния емкости нагрузки.
2
u
вх
1
R
доп
u
вых
С
а
н
н
C
2
u
вх
1
б
R
доп
С
н
u
вых
н
Рис. 8.8. Эволюция схемы, устраняющей влияние емкости
нагрузки
Сложность цепи не позволяет предложить удобную формулу для
выбора корректирующих элементов. Начальным приближением может
(|| )
CRRC
служить условие
R
и С лучше экспериментально по наблюдению переходной харак-
доп
нн 12
. Выбирать конкретные значения
теристики на экране осциллографа.
Таким образом, конденсатор небольшой емкости, включенный
между выходом и инвертирующим входом ОУ, – эффективное сред-
76
ство, устраняющее многие из проблем, связанных с потерей устойчи-
R
вости. Он сужает полосу шумов, компенсирует входную емкость и
противостоит влиянию емкости нагрузки.
8.3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Исследование видеоусилителя во временной области
1. Собрать схему видеоусилителя с коэффициентом усиления 10
(подключить сопротивление
). Емкость нагрузки
3
С
, емкость
н
C
вх
и элементы схемы, компенсирующие влияние этих емкостей, отключить. Входной кабель подключить ко входу 1.
2. Включить питание и на ПК запустить программу «Мультимер».
3. Настроить аналого-цифровой преобразователь, установив часто-
ту отсчетов 1 МГц и длину записи 5000.
4. Включить генератор сигналов, выбирать синусоидальный тип
сигнала с амплитудой 20 мВ и частотой 1 кГц, смещение 0, фаза
0.
5. Включить оба канала. Для первого канала установить чувстви-
тельность 0,2 В, а для второго – 8 В и режим АС.
6. Снять амплитудную характеристику (АХ). Для этого на генера-
торе сигналов установить синусоидальный сигнал частотой 1 кГц.
На лицевой панели ВП АХ установить верхний предел изменения амплитуды входного сигнала около 0,2 В. После снятия
АХ определить
уровень входного сигнала, соответствующий середине линейного
участка АХ. В дальнейшем этот уровень оставить неизменным.
7. Установить частоту отсчетов 10 МГц, длину записи оставить
5000. На генераторе сигналов выбрать прямоугольный сигнал соответ-
ствующей амплитуды (см. пункт 6) со скважностью 50 % и частотой
следования примерно 50 кГц. Отключить первый канал, активизировать курсоры.
8. В окне «
жим запуска»
Источник запуска» выбрать «Генератор», а в окне «Ре-
«Возрастание».
9. Во вкладке «Шкала» ВП «Осциллограф» задать нижние и верхние пределы осей и единицы измерения таким образом, чтобы на
экране отображался только передний фронт одного импульса, а его
размеры были максимально возможными.
10. Измерить перерегулирование σ (см. приложение А), результаты
измерения занести в табл. 8.2, а осциллограмму – в отчет.
77
11. Оставив коэффициент усиления 10, подключить емкость нагруз-
р
C
ки
. Определить , результаты измерения занести в табл. 8.1, а ос-
н
циллограмму – в отчет.
12. Включить конденсатор
кости нагрузки. Определить
С
, компенсирующий влияние ем-
комп.н
, результаты измерения занести в
табл. 8.2, а осциллограмму – в отчет.
Таблица 8.2
Экспериментальные данные
Параметр
Номер
пункта
10 Исходная схема
11 Исходная схема плюс емкость
нагрузки С
12 Схема п.11 плюс компенсиру-
ющий конденсатор С
13 Исходная схема плюс входная
емкость С
14 Схема п.13 плюс компенсиру-
ющий конденсатор С
15 Исходная схема с коэффициен-
том передачи 1
16 Схема п. 15 плюс емкость на-
грузки С
17 Схема п. 16 плюс входная ем-
кость С
Вид схемы
н
вх
н
вх
комп.н
комп.вх
fc,
Мр,
σ,
МГц
дБ
%
13. Вернуться к исходной схеме (п. 1). Включить конденсатор
Запас
устойчиво-
сти по фазе,
ад.
г
C
вх
имитирующий паразитную входную емкость ОУ. Произвести измерения, как в п. 10.
14. В собранную в п. 13 схему в цепь ОС включить конденсатор
C
комп.вх
счет емкости
, компенсирующий уменьшение запаса устойчивости схемы за
C
. Произвести те же измерения, что и в п. 10.
вх
15. В исходной схеме п. 1 изменить коэффициент усиления, сделав
его равным 1. Произвести измерения, как в п. 10.
,
78
16. В схему п. 15 добавить емкость нагрузки
C
. Произвести изме-
н
рения, как в п. 10.
C
17. В схему п. 16 добавить конденсатор
, имитирующий пара-
вх
зитную входную емкость ОУ.
Внимание! Здесь возможно самовозбуждение усилителя. Переходная характеристика приобретет вид незатухающей синусоиды. Необходимо определить период ее колебаний и частоту самовозбуждения.
Осциллограмму занести в отчет.
Исследование видеоусилителя в частотной области
18. Снять нормированные АЧХ для пунктов 10–16 в диапазоне от
10 кГц до 2 МГц, откладывая по оси
Y относительное усиление в деци-
белах и используя логарифмический масштаб по оси частот. Определить по графикам резонансный пик и частоту среза. Занести полученные значения в табл. 8.2. Все АЧХ занести в отчет.
Самовозбудившийся усилитель перегружен собственными колебаниями, поэтому он не будет реагировать на входной сигнал. В этом
случае понятие
АЧХ теряет смысл.
19. Изобразить на одной диаграмме следующие графики АЧХ: 10,
11, 12 и 13, 14 и 15, 16.
20. Используя рис. 8.9 и данные табл. 8.2, определить запас устой-
чивости по фазе для каждой из исследуемых схем. Полученные значения занести в табл. 8.2.
Рис. 8.9. Зависимость запаса устойчивости по фазе
от перерегулирования
79
21. Сделать выводы по работе, включающие в себя:
объяснение связи между поведением АЧХ в области верхних ча-
стот и ПХ в области малых времен;
объяснение влияния входной емкости и емкости нагрузки
на АЧХ, переходную характеристику и относительную устойчивость
схемы.
8.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите и охарактеризуйте известные вам режимы работы уси-
лительных элементов.
2. Назовите и нарисуйте разновидности ООС, которые применяют-
ся в усилителях на основе ОУ.
3. Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя с ООС и поясни-
те ее влияние на параметры усилителя.
4. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя с ООС и поясните
ее влияние на параметры
усилителя.
5. Объясните влияние входной емкости ОУ на АЧХ и ПХ видео-
усилителя. Укажите способ компенсации этого влияния.
6. Объясните влияние емкости нагрузки на АЧХ и ПХ видеоусили-
теля. Укажите способ компенсации этого влияния.
7. Какую коррекцию называют полной? Ее достоинства и недостатки.
8. Назовите способы коррекции АЧХ ОУ.
9. Как и почему
будет меняться запас устойчивости по фазе при
увеличении входной емкости ОУ?
10. Как и почему будет меняться запас устойчивости по фазе при
увеличении выходной емкости нагрузки ОУ?
11. Зачем каскады в ОУ выполняются с разными частотами среза?
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]