Частотная коррекция

Для исключения автоколебаний 2 –3 полюса заменяют одним доминирующим при помощи включения запаздывающего звена в узкополосный каскад.

Допустим, ОУ состоит из двух каскадов

ДУ вых.каскад

В выходном каскаде для транзисторов , включенных по схеме с ОЭ, в коллекторной цепи стоит емкость, по эффекту Миллера С = С_БК*А_u , от предыдущего каскада имеется выходное сопротивление ( для первого каскада – это выходное сопротивление источника сигнала),

С_БК

g_вхU_вх выход

Получим почти идеальную функцию интегратора

А(j) =U_вых/U_вх = g_вх/(jC_кор), g_вх = I₀/_T

Новая частота единичного усиления ₁ = I₀/(_TC_кор)

Величина ₁ определяется из требований запасов устойчивости, тогда С_кор = g_вх/₁

Пример включения корректирующих цепей в ОУ

+

для трехкаскадной схемы -

Коррекция обеспечивает:

1) на всех частотах, где А_U >1, фазовый сдвиг < 180⁰ при разомкнутой ОС. Достигается это включением емкости, задающей сопрягающую частоту и наклон передаточной характеристики - 6 дБ/октаву.

2) Коэффициент усиления в такой модифицированной схеме снижается до 1 на частоте, соответствующей примерно - 3 дБ на характеристике следующего RC-фильтра

1 2 -6дБ Петлевое усиление. Схема 2 –  уже 180⁰,

А_U>1

Схема 1 - скоррект.ОУ,90⁰до f₂А_U= 1

Проигрыш в усилении -

Выигрыш в устойчивости

180⁰

90⁰

1 2

f₁ f₂ f₃

Запас по фазе : 180 - ( 90 + 45 ) = 45⁰.,( 45⁰ - сдвиг RC- фильтра на частоте – 3 дБ),eсли передаточная характеристика смещена так, что на частоте -3 дБ второго участка (полюса) коэффициент усиления стал бы равен 1.

Корректирующей емкостью может быть емкость Миллера, причем, в схеме Дарлингтона емкость еще больше. Коррекция емкостью Mиллера температуроустойчива и не зависит от технологического разброса.

ДУ

Частотная характеристика ос в случае наличия реактивных элементов в цепях ос ( интеграторы, дифференциаторы ) происходит модификация частотной характеристики для повышения устойчивости схемы.

Для таких случаев используются диаграммы Боде для коэффициента передачи всей петли ОС, а не АЧХ при разомкнутой ОС.

без ОС

с ОС без С

СпФ с С

Без С в ОС схема неустойчива (А > 0.  = 180⁰).

Особенно важно для дифференциаторов ( интеграторы сами обеспечивают спад – 6дБ/октаву) .

Внутренняя коррекция : С_кор = 30 –50 пФ , запас по фазе   45⁰. Полоса пропускания узкая.

Внешняя коррекция : С_кор = 5 – 50 пФ.

Ищут оптимум А_U  f  .

Если схема устойчива, возникает высокочастотный подъем А_U .

A_Uос A_Uос(f₁₈₀)/A_Uос(0)=2

1.5

1.25

F₁₈₀ (логарифмический масштаб)

Для предотвращения высокочастотного подъема коэффициента усиления необходимо выполнение f_u < f₂A_Uос(0), в противном случае будет возникать «звон», «дребезг» на крутых фронтах вследствие перерегулирования ЧХ.

Практические схемы ОУ.

1. Схема 1. (Раздаточный материал).

Схема состоит из

а) дифференциального каскада на паре Т1, Т2, для смещения используются источники тока на транзисторах Т12-Т13, формируется ток I₀; активная нагрузка на транзисторах Т3-Т4 (по схеме токового зеркала) и транзисторе Т5;

б) транзистор Т6, включенный по схеме ЭП (ОК), первый транзистор пары Дарлингтона, второй – Т7, включенный по схеме с ОЭ, нагрузкой к этому каскаду является Т14 (ОБ) – это источник тока, смещаемый цепью Т12-R1;

в) выходной каскад – двухтактный комплементарный ЭП с Дарлингтоновскими транзисторами Т8-Т9 (для вытекающего тока) – и Т10-Т11 (на втекающий ток).

Схема упрощенная. Недостатки: нелинейные искажения, нет ограничения тока в выходной цепи, нет частотной коррекции.

2. Схема 2. ОУ серии 741. Основные блоки:

а) дифференциальный каскад, входные транзисторы Т1,Т2, составные с Т3,Т4, смещение на источнике тока Т5,Т6 иТ7, активная нагрузка (токовое зеркало Т8,Т9), коэффициент усиления А_u1 > 60 дБ;

б) усилительный каскад на Т16,Т17 с активной нагрузкой на многоколлекторном транзисторе Т13 (источник тока), коэффициент усиления каскада А_u2  45 дБ;

в) управление выходным каскадом: Т18,Т19 (выполняют функцию диодов для устранения нелинейных искажений) и Т22, эта цепь задает смещение на выходной каскад. Выходной каскад работает в классе Б, транзисторы Т14-Т20 с защитой от искажений (D1,D2=T18,T19), ограничением тока от случая короткого замыкания (Т15,Т21 – R6,R7), резисторы, кроме того, обеспечивают термостабилизацию.

Внутренняя частотная коррекция емкостью С_кор = 30 пФ, подсоединенной ко второму каскаду (увеличение емкости С_БК про Миллеру). Конденсатор С_кор занимает 1/6 площади кристалла! (30 пФ!) при площади кристалле примерно 0,5 мм². Все p-n-p – транзисторы – латеральные. f₂  1МГц.

3. Схема 3. ОУ на КМДП - транзисторах.

Основной каскад: ДУ на р- МДПТ Т1,Т2, активная нагрузка в виде токового зеркала на Т3,Т4, Транзисторы Т5,Т6 задают смещение, величину тока I₀  I_set  (U⁺-U^- - 1B)/R_set.

Резистор выполняется внешним. Усиливающий выходной каскад состоит из транзисторов Т7 (ОИ) с активной нагрузкой в виде источника тока на Т8. Коэффициент усиления в ОУ 90 дБ. Корректирующая емкость С_кор = 16 пФ. Частота единичного усиления – 0,8МГц.

+U

_х

T5 T6 I₀ T8

Вход +

Вход - T1 T2 C_кор U₀

I_set

R_set T3 T4 T7

-U

Пример расчета параметров схемы ОУ (по схеме 1.)