11.13 Обеспечение устойчивости и предельной широкополосности в усилительных трактах на оу

Устойчивость работы широкополосных усилителей – одна из важнейших проблем, возникающих при их проектировании. Существует ряд подходов и критериев по оценке работы ШУ. Их можно разделить на две группы:

1. Производится оценка степени близости усилительного тракта к состоянию самовозбуждения. Подобная оценка предполагает проведение анализа на выявление частоты, на которой в петле ОС наступает баланс фаз и амплитуд. Оценка проводится с использованием годографа петлевой передачи, когда оцениваются запас по фазе и запас по усилению. Этот подход широко используется при проектировании устройств автоматического регулирования и активных фильтрующих цепей.

2. В качестве критерия устойчивой работы схемы в ОС принимается отсутствие подъёма в её АЧХ, или же когда значение этого подъёма не превышает заранее оговоренного значения. Этот критерий обычно используется при оценке устойчивости широкополосных усилителей. Рассмотрим это более подробно.

При использовании ОУ с глубокой ОС для обеспечения их устойчивости используют цепи частотно-фазовой коррекции (ЧФК), которые могут:

сразу быть включены в состав ОУ;

включаться в схему на базе ОУ.

Цепи ЧФК выполняются таким образом, что бы с одной стороны не было самовозбуждения усилителя, а с другой стороны – отсутствовал подъём АЧХ выше заданного значения _Ш. Это условие наиболее трудно выполнить в ШУ при получении малого коэффициента усиления, поскольку при этом растёт глубина ОС.

Следовательно, ЧФК необходимо наиболее сильное внимание уделять при К1.

Обычно, для ОУ f_СР1<<f_СР2(₁>>₂), следовательно=₁/₂<<1.

Из соотношений

следует, что для того, что бы АЧХ во всей частотной области значения М(w)не превышалМ_Ш, необходимо иметь значение глубины ОСF_Oтакое, что бы оно удовлетворяло соотношению:

Вкачестве цепей ЧФК используют RC цепи, которые подключаются к специальным точкам (выводам) ОУ, либо эти цепи выполняются непосредственно на кристалле ОУ (внешние цепи ЧФК не требуются), однако эти усилители обладают малой площадью усиления.

Использование цепей ЧФК направлено на увеличение относительного различия f_СР1иf_СР2, которого достигают как путём искусственного изменения (уменьшенияf_СР1), так и за счёт полной или частичной компенсации инерционных свойств звена, определяющего частотуf_СР2. Этот способ введения коррекции наиболее желателен, так как при его использовании:

• улучшаются частотные свойства ОУ;

• улучшаются частотные свойства всей схемы в целом.

Однако использование этого способа возможно лишь в ограниченном числе случаев.

Подобная коррекция вводится за счёт так называемого обходного конденсатора С_О, параллельногоR_О, включённого последовательно на пути похождения сигнала ООС. Использование этого конденсатора позволяет снизить влияние второго инерционного звена, определяющего частоту срезаf_СР2. Но на практике в ОУ должны быть выводы отR_Одля подключенияС_О, (т.е. должны быть дополнительные выводы для введения цепей коррекции), кроме этого, эта цепь должна питаться от низкоомного сигнального источника.

Наиболее просто цепь коррекции с помощью обходного конденсатора реализуется на участках петли, внешних по отношению к самому ОУ.

При подобном введении цепи коррекции (интегрирующей цепи) АЧХ, несколько уменьшается площадь усиления, однако позволяет исключить подъём АЧХ практически при любом значении глубины ОС F_О, в том числе и приF_О=К_ДО.

С_Овыбирается из условия:

,

где R_f– сопротивление цепи, которую шунтируетС_О.

Для максимально скорректированного ОУ при значении петлевой передачи, удовлетворяющей условию:

АЧХ абсолютно плоская, т.м. М_Ш=1,_Ш=0. Т.е. АЧХ ШУ не имеет подъёма при единичном усиления, если используется ОУ, у которого соотношение между частотамиf_СР1иf_СР2отвечает условию:

В предельно устойчивом ОУ наклон логарифмической АЧХ в области значений коэффициента усиления К(f)0,5равен 20 дБ/декаду (кривая 1). Для случая, когда корректируется – кривая 2.

Эта коррекция достигается уменьшениемf_СР1, т.е. увеличением₁. Способ получил наибольшее распространение (искусственное увеличение₁).

В этом способе С_КОРвключается параллельно₁, следовательноf_СРудовлетворяет условию:

что приводит к уменьшению площади усиления.

Это соотношения соответствует неинвертирующему усилителю т.к. именно в нём петлевая передача достигает максимального значения К_ДО. В инвертирующем усилителе этоК_ДО/2, следовательно для этого случая равномерный ход АЧХ допускает в два раза меньшее относительное различие частот среза, чем оговариваемое соотношение:

В ряде случаев при разработке усилителей на базе ОУ от выполнения условия коррекцииотказываются. Это позволяет построить схемы с повышенным значением частоты срезаf_СР1, что позволяет получить большие площади усиления. По этому принципу изготавливаются быстродействующие ОУ. Однако требуется дополнительный выбор элементов ЧФК особенно при построении ШУ. Рекомендуемое построение подобных схем коррекции приводится в справочниках по соответствующим ОУ.