8.3. Коррекция амплитудно-частотных характеристик

Впрактических схемах операционный усилитель охватывается отрицательной обратной связью (ООС). Вследствие сдвига фаз между входным и выходным сигналом ОУ (с увеличением частоты в многокаскадном усилителе этот сдвиг фаз увеличивается) на некоторых частотах обратная связь может стать положительной. Если на этих частотах коэффициент усиления усилителя больше единицы, то на выходе схемы возникают автоколебания. Для исключения возникновения этих колебаний (самовозбуждения ОУ) используются цепи частотной коррекции.

Рассмотрим усилитель, охваченный ООС по напряжению (рис. 8.7). Положим, что в схеме используется трехкаскадный ОУ. Определим его коэффициент усиления. Будем считать передаточную характеристику ОУ идеальной, т. е. U_вых=К_оU_вх. Тогда

где -коэффициент (глубина) обратной связи. Отсюда:

.

Здесь К=К₀/(1+К₀) - коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей ООС. Если значение Ко велико, то

и ,

т. е. Практически не зависит от коэффициента усиления ОУ.

Обратимся теперь к рис. 8.7, б, в. На оси частот отмечена частота f_пр, на которой сдвиг фаз между выходным и входным сигналом достигает 180°. Нетрудно теперь из графика определить наличие условий возбуждения в схеме. Если линия К*=1/ пересекает АЧХ в точке, соответствующей частоте, большей f_пр, то в схеме будут возникать ложные колебания. В этом случае сдвиг фаз по цепи обратной связи достигает величины, большей 360°. Следовательно, глубина отрицательной обратной связи усилителя ограничивается условием устойчивости ОУ. На рис. 8.7, б указаны пределы изменения возможного коэффициента усиления усилителя, при которых ОУ не возбуждается (область1).

Наиболее часто используемое на практике требование обеспечения устойчивости схемы, соответствующее максимально возможному запасу фазы в петле ООС (при принятой аппроксимации фазы на частоте f_ср2 — 90°, в действительности 45°), заключается в следующем: прямая К*=1/ (дБ) должна пересекать отрезок АЧХ с наклоном в 20 дБ/дек. В ряде случаев может оказаться достаточным и меньший запас по фазе на самовозбуждение, поэтому в усилителях с ООС удается использовать часть участка с наклоном 40 дБ/дек.

Если требуется реализовать усилитель с ООС, для которого не удовлетворяется сформулированный критерий устойчивости, то в ОУ необходимо ввести цепи частотной коррекции. Последние должны в простейшем случае изменить АЧХ ОУ так, чтобы удовлетворялся критерий устойчивости для требуемогоК*. Если цепи коррекции выбраны таким образом, что наклон результирующей АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек и она проходит через точку частоты единичного усиления f_T, то усилитель имеет полностью скорректированную частотную характеристику, которую называют оптимальной.

Рассмотрим некоторые цепи коррекции. Широкое распространение получила корректирующая цепочка дифференцирующего типа (коррекция на опережение по фазе) (рис. 8.8). Особенность АЧХ этой цепи — ее подъем в диапазоне частот от f₄ до f₅ со скоростью 20 дБ/дек.

Роль R1 обычно выполняет одно из внутренних сопротивлений ОУ. Часто и R1 реализуется внутри ОУ. Поэтому коррекция такого типа сводится лишь к подключению конденсатора С1 (иногда и R2) к соответствующим выводам.

Корректирующая цепочка интегрирующего типа (коррекция на отставание по фазе) приведена на рис. 8.9. АЧХ этой цепи по Боде в диапазоне частот отf₆ до f₇ падает со скоростью -20 дБ/дек. Роль сопротивления R3 играет, как правило, выходное сопротивление корректирующего каскада. Поэтому коррекция интегрирующего типа на практике сводится к подключению цепи R4С2.

Как же используются рассмотренные цепочки для коррекции двухкаскадных усилителей? На рис. 8.10 приведена исходная АЧХ двухкаскадного усилителя, частотные характеристики (кривые1’, 2’, 8’) используемых корректирующих цепочек (для них К<0) и соответствующие скорректированные АЧХ (кривые 1, 2, 3). Из рисунка видно, что корректирующая цепочка дифференцирующего типа позволяет выполнить как частичную, так и оптимальную коррекцию АЧХ, при которой спад АЧХ во всей полосе частот ОУ составляет — 20 дБ/дек (кривая 2 на рис. 8.10, б).

На практике для коррекции АЧХ ОУ применяется и ряд других цепочек. Важно отметить, что для каждого конкретного усилителя в справочных пособиях рекомендуется свой набор RС-цепочек, подключаемых к специальным выводам (высокоомным точкам схемы). Эти точки выбираются с таким расчетом, чтобы номиналы элементов цепи коррекции оказались небольшими. АЧХ современных двухкаскадных усилителей корректируются с помощью одной внешней цепи коррекции, трехкаскадных — как правило, с помощью двух цепей.

Ряд ОУ имеет встроенные цепи частотной коррекции, реализованные чаще всего на основе МОП-конденсаторов, формируемых в кристалле одновременно с другими элементами усилителя. Такие усилители сохраняют устойчивость независимо от величины обратной связи, что является их несомненным достоинством. (Упрощается проектирование схем на их основе). Однако ОУ с внутренней коррекцией имеют ограниченную полосу пропускания и, следовательно, не позволяют в полной мере использовать динамические свойства усилителя для К*>>1 (в них частотная коррекция выполнена для наихудшего случая, т.е. для К*=1).