Вопрос 51 Частотная характеристика оу

Частотная характеристика (зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала) операционного усилителя является важным фактором, от которого зависит устойчивость работы реальных схем с таким усилителем. В большинстве операционных усилителей отдельные каскады соединены между собой по постоянному току (гальваническими связями), поэтому эти усилители не имеют спада усиления в области низких частот и у них приходится рассматривать только спад коэффициента усиления с возрастанием частоты. На рис. 1 показана типичная частотная характеристика ОУ. На этом рисунке и частота, и коэффициент усиления даны в логарифмическом масштабе, что делает рисунок более компактным и наглядным.

Рассмотрим причины падения коэффициент усиления падать при возрастании частоты. АЧХ операционного усилителя имеет АЧХ аналогичную АЧХ интегрирующей RC-цепи (простейшего фильтра низких частот), представленной на рис. 2.

Отличие от ЛАСХ ОУ в том, что в полосе пропускания коэффициент усиления равен нулю. Таким образом, в частотной области ОУ можно представить в виде идеального усилителя, формирующего определенный коэффициент усиления, и интегрирующей RC-цепи, обеспечивающий спад усиления на высоких частотах (рис.3).

Однако если рассмотреть схему операционного усилителя, то конденсаторов, которые способны вызвать спад усиления на высоких частотах, мы не увидим.

Но это не означает, что их нет. Любая схема, будь то интегральная схема или схема на дискретных компонентах, обязательно содержит металлические проводники, отделенные друг от друга изолятором. Это означает, что сам монтаж схемы обладает некоторой распределенной паразитной емкостью. Также некоторой емкостью обладает любой р—n-переход в полупроводнике. Именно эти паразитные емкости формируют частотную характеристику ОУ.

Грубо уменьшение коэффициента усиления с ростом частоты можно пояснить следующим образом. Проводимость емкости растет с ростом частоты. При возрастании частоты эти паразитные емкости закорачивают на землю все большую часть сигнала переменного тока, и, в конце концов, весь сигнал уходит на землю через паразитную емкость и не достигает нагрузки. Плюс к тому, в усилительных каскадах через емкости база-коллектор осуществляется отрицательная обратная связь, которая приводит к спаду усиления на высоких частотах, что также уменьшает выходной сигнал. Забегая вперед, следует отметить, что при конструировании ОУ емкости локальных ОС формируют преднамеренно и именно они в первую очередь формируют частотную характеристику ОУ. Зачем это делается, будет объяснено ниже.

При вычислениях эти распределенные паразитные емкости можно объединить, как если бы они являлись одним конденсатором, и каждый каскад операционного усилителя представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из источника напряжения, сопротивления и паразитной емкости, как показано на рис. 3. Заметим, что здесь RH может быть входным сопротивлением следующего каскада или (для оконечного каскада) нагрузкой.

При возрастании частоты реактивное сопротивление конденсатора падает, что приводит к уменьшению полного сопротивления комбинации из включенных параллельно Rн и С. Очевидно, должна существовать частота, при превышении которой суммарный коэффициент усиления становится равным единице. Т.е схема на этой и более высоких частотах уже не усиливает сигнал. Это частота называется частотой единичного усиления. Кроме того, усилитель характеризуется граничной частотой (или сопрягающей частотой). На этой частоте коэффициент усиления уменьшимся в корень из двух раз (0.707 или 3дБ) по отношению к усилению в полосе пропускания.

Коэффициент усиления ОУ чаще всего оценивается в децибелах. Усиление в 10 раз – это 20дБ, усиление в 100 раз – 40дБ, усиление в 1000 раз – 60 дБ и т.д. Спад усиления на ЛАЧХ оценивают в децибелах на декаду (дБ/дек). Для звена первого порядка (RC-цепи) спад АЧХ в полосе задержки сигнала – 20дБ/дек. Т.е. при изменении частоты в 10 раз усиление уменьшается на 20 дБ. Такой же спад частотной характеристики наблюдается и рассмотренного выше операционного усилителя.

Следует отметить, что наиболее полно характеристики ОУ определяют не только зависимость амплитуды сигнала от частоты (АЧХ), но и зависимость фазы от частоты (ФЧХ) (рис. 5).

Из этих графиков также видно, что на граничной частоте сдвиг фазы равен - 45°. А на частоте среза (когда усиление равно 1) он теоретически должен был бы приближаться к -90 градусам (пунктирная линия). Однако на самом деле ФЧХ идет ниже и в пределе стремится к -180 градусов. Это связано с тем, что операционный усилитель имеет не один полюс (точку перегиба АЧХ), а два. Первый полюс близок к частоте среза и равен асимптотическому продолжению линии спада АЧХ с горизонтальной линией коэффициента усиления на низких частотах. А второй полюс лежит в области высоких частот. Т.е если рассматривать более строго, то эквивалентная схема реального ОУ представляет собой идеальный усилитель и две последовательно включенные интегрирующие RC-цепи. При этом АЧХ и ФЧХ имеют следующий вид.

С трого говоря, все операционные усилители являются многополюсными. Точнее, имеют многополюсную АЧХ и ФЧХ. Как минимум, двухполюсную или трехполюсную. Это связано с тем, что каскадов усиления в усилителе, как правило, три: входной каскад, усилитель напряжения и усилитель мощности (выходной каскад) (рис. 7)

И нерционности (RC-цепи), могут быть в каждом каскаде усиления. Каждое RC-звено в усилителе добавляет 1 полюс и поворачивает фазу на 90 градусов. Соответственно, два RC-звена могут повернуть фазу на -180 градусов. А это означает, что обратная связь, которая на низких частотах была отрицательной, на высоких станет положительной. И если при этом коэффициент усиления будет больше 1, то усилитель превратится в генератор синусоидальных колебаний – произойдет так называемое самовозбуждение усилителя.

Особенна высока вероятность самовозбуждения усилителя при глубокой отрицательной обратной связи, когда коэффициент усиления стремится к единице. Чтобы в ОУ не возникало самозбуждения, проводят коррекцию АЧХ. Путем добавления корректирующих цепей (RC-цепей или цепей локальной ООС через емкости) формируют итоговую частотную характеристику таким образом, чтобы при коэффициенте усиления, рамном 1 фаза сигнала не достигала -180 градусов. Причем величина, на которую она не достигает -180 град. называется запас по фазе. Если запас по фазе меньше 90 градусов, то при усилении прямоугольных импульсов возможно возникновение затухающих колебаний после прохождения фронта импульса.