В.В. Дуркин - Схемотехника аналоговых электронных устройств - Методические указания к лабораторным работам (1267371), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для их подключения в ОУ предусматриваются специальные выводы. Обычно, такая АЧХ имеет две точки излома в полосе пропускания (рис. 4.6, АЧХ 1). Из рисунка видно,что ОУ может работать в большем интервале частот, но максимальная глубина ОС (Fmax) определяется точкой второго изломана скорректированной АЧХ.Исследуемый усилитель собран на ОУ 140УД1Б с внешнейкоррекцией. В зависимости от требуемого коэффициента усиления меняется постоянная времени корректирующей цепочки.
Такпри коэффициенте усиления К = 100 эта постоянная времени рав-56на 62 нс, а при К = 10 (т.е. при увеличении глубины ОС в 10 раз)она возрастёт примерно до 170 нс.Влияние емкости нагрузки на устойчивость ОУПредположим, что АЧХ ОУ полностью скорректирована, т.е.в активной полосе частот (К(f)>1 ) АЧХ не имеет изломов и спадает со скоростью 20 дБ/дек. Значит, ОУ будет являться системойпервого 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). Теперьучтём влияние емкости нагрузки (рис. 4.7). ОУ характеризуетсясвоей частотой единичного усиления f 1 и действительным выходным сопротивлением Rвых (рис. 4.7.а).
Выходной емкостьюОУ или пренебрегают, или относят к емкости нагрузки.R2Uвх|BK(p)|, дБR1-20 дБ/дек–Rвых-UДKДxxUвыхCн+0а)fCб)CнfРис. 4.7. Операционная схема второго порядка:а ) – эквивалентная схема; б) – АЧХИнерционное звено RВЫХ СH создает полюс на частоте:1fC =2π CH RВЫХ57(4.2)На этой частоте возникает излом (рис. 4.7.б) и далее АЧХ спадает со скоростью 40 дБ/дек, т.е. усилитель ведет себя как операционная схема второго порядка с коэффициентом затуханияk=12fC1=f1 2 2π f1CH RВЫХ(4.3)При возрастании емкости СH уменьшается k, возрастает Mp иσ и уменьшается запас устойчивости по фазе ϕ3 (см.
табл. 4.1),т.е. схема приближается к неустойчивому состоянию. Это объясняется тем, что на высоких частотах емкость нагрузки СH вноситдополнительные фазовые сдвиги и ОС меняет знак – из отрицательной становится положительной, это вызывает подъем АЧХ ивыброс на переходной характеристике.Из (4.3) следует, что при СH =const ( f C = const ) коэффициентзатухания k тем меньше, чем больше частота единичного усиления ОУ f 1 . Этот факт является одной из причин, почему f 1 дляОУ широкого применения выбирается около 1MГц (не выше!).Влияние входной емкости на устойчивость ОУНаличие входной емкости ОУ СВХ (рис.
4.8.а) уменьшает запас устойчивости схемы, переходная характеристика принимаетвид затухающей синусоиды (рис. 4.5) (возникает “звон”).Если, как и прежде, считать ОУ без ОС системой первого порядка (ОУ полностью откорректирован), то при учете входнойемкости С ВХ порядок петлевого усиления будет вторым, т.к. ОСстанет частотно-зависимой иB0B( P) =,(4.4)1 + PCВХ R1Rгде B0 = 1 – коэффициент передачи ЦОС на нулевой частоте.R258Второй полюс возникнет на частоте1.(4.5)fC =2πСВХ R1Дальнейшие рассуждения идентичны предыдущему случаю(влияние емкости нагрузки СH ), только необходимо заменитьСВХ на СH , а RВЫХ на R1 .CSA|B(p)K(p)|, дБR2Uвх-20 дБ/декR1–UвыхCвхf0+fCа)б)CвхРис.
4.8. Влияние входной емкости ОУна запас устойчивости схемы:а) – эквивалентная схема; б) – АЧХЧастотная коррекция в цепи ОСКак мы только что выяснили, наличие Свх и Сн уменьшает запас устойчивости схемы. Это, в лучшем случае, приведёт к искажениям АЧХ в области верхних частот и ПХ в области малыхвремён и в худшем – к возбуждению усилителя. Как скомпенсировать (уменьшить) вредное влияние этих емкостей?Компенсация входной ёмкостиИсходный полностью откорректированный ОУ при введенииОС превращается в схему второго порядка из-за частотной зависимости коэффициента передачи ЦОС (4.4).
Попробуем изменить59ЦОС так, чтобы её коэффициент передачи не зависел от частоты.Для чего параллельно резистору R2 включим конденсатор С малой ёмкости (рис. 4.8.а), переключатель SA в замкнутом положении), тогда выражение (4.4) примет вид:1 + pCR2.(4.6)B ( p ) = B01 + pCвх R1Если подобрать емкость конденсатора С таким образом, чтобывыполнялось условиеCR2 = Cвх R1 ,тополучимчастотно-независимыйделительвЦОС( B( p ) = B0 = const ) и операционную схему первого порядка.
Таккак при полной коррекцииU выхf c = 2 f1 (рис. 4.6), то коэф1фициент затухания k = 0.707(4.1), резонансный пик Мр =0 (табл. 4.1), выброс перере2гулирования σ ≈ 4.7% изапас устойчивости по фазеt0примерно 65 . Однако заРис. 4.9. Переходные характеристикисчет конденсатора С возрасусилителя:тает глубина отрицательной 1 – без компенсации емкости С (С );вхнОС в области верхних час2 – при наличии компенсациитот, что приводит к сужению полосы пропускания усилителя в этой области частот и квозрастанию времени установления ПХ (рис. 4.9). Это плата заповышение относительной устойчивости схемы!Компенсация емкости нагрузкиКак уже отмечалось, наличие емкости нагрузки СН приводит кдополнительному излому АЧХ петлевого усиления |K(p)B(p)|(рис.
4.7.б), что вызывает уменьшение запаса устойчивости пофазе.Одним из методов борьбы с влиянием емкости CН – подборОУ с низким выходным сопротивлением. Чем ниже выходное60сопротивление ОУ, тем на большую емкость CН он может работать без потери устойчивости, т.к. при этом возрастает частотавторого излома (частота полюса) (4.2). Избежать генерации можно также, используя дополнительный резистор Rдоп, отключающий емкость нагрузки от выхода ОУ (рис. 4.10.а), в этом случаеОС становится частотно-независимой, операционная схема приобретает первый порядок, что обеспечивает требуемый запас устойчивости. Колебания прекращаются, и “звон” исчезает. Однаковместе с тем утрачивается полезное свойство ОУ – независимостьвыходного напряжения от нагрузки.CR2UвхR1R2Uвх–RдопСНR1–RдопUвыхRН+СНUвыхRН+а)б)Рис.
4.10. Схемы, устраняющие влияние емкости нагрузкиВыходное сопротивление ОУ снова вернется к низкоомномузначению, если сопротивление Rдоп ввести в петлю ОС и включить компенсирующий конденсатор С малой емкости между выходом и инвертирующим входом (рис. 4.10.б). В этом случае возникает два параллельных канала передачи сигнала в ЦОС. Нанизких частотах сопротивления обоих конденсаторов велики икоэффициент передачи ЦОС 1/Bнч определяется только резистивными элементами (рис. 4.11.а и б).
На очень высоких частотахсопротивление конденсаторов С и Сн близко к нулю и ЦОС также будет состоять только из одних резисторов (рис. 4.11.б), т.е.коэффициент передачи на высоких частотах 1/Bвч принимает постоянное значение, начиная с частоты f ZB .В интервале частот f ZH ... f ZB имеет место переход с однойасимптоты на другую. Таким образом, элементы Rдоп и С приводят к тому, что в той области частот, где АЧХ ОУ имеет спад6120дБ/дек, цепь ОС представляет собой частотно-независимыйделитель и передаточная функция петлевого усиления будет первого порядка.
Т.е. полная аналогия с компенсацией входной ёмкости (рис. 4.9).RвыхRдопR2K(f), 1/B(f) , дБa)RН-20 дБ/декR120 дБ/декRвых1BНЧб)RдопRНR101BВЧfZНв)ffZВРис. 4.11. Эквивалентные схемы ЦОС на низких (а),высоких частотах (б) и АЧХ (в), поясняющие принципкомпенсации влияния емкости CHЧастота f ZB уменьшается с увеличением сопротивления R1 иR2 , что благоприятно отражается на устойчивости ОУ. Сложность цепи не позволяет предложить удобную формулу для выбора корректирующих элементов. Начальным приближениемможет служить условие RH CH = ( R1 || R2 )C .
Выбор конкретныхзначений Rдоп и С лучше производить экспериментально по наблюдению переходной характеристики на экране осциллографа.Таким образом, конденсатор небольшой емкости, включенныймежду выходом и инвертирующим входом ОУ – эффективноесредство, устраняющее многие из проблем, связанные с потерейустойчивости. Он сужает полосу шумов, компенсирует входнуюемкость и противостоит влиянию емкости нагрузки.624.3. Порядок выполнения работыИсследование видеоусилителя во временной области1. Собрать схему видеоусилителя с коэффициентом усиления40 дБ с элементами коррекции, соответствующими этому усилению. Емкость нагрузки, емкость С1 и элементы схемы, компенсирующие влияние этих емкостей, отключить.2.
Используя генератор Г3-112 и осциллограф, убедиться, чтовы работаете в линейном режиме (см. приложение 1). Зафиксировать этот уровень выходного сигнала генератора и в процесседальнейших измерений поддерживать его постоянным!3. Перевести генератор Г3-112 в режим генерирования прямоугольных импульсов, подобрать их частоту следования и скорость развертки осциллографа таким образом, чтобы визуальнодостаточно точно можно было определить параметры переходнойхарактеристики в области малых времён (см.
приложение 1).Примерный ход этой характеристики для исследуемого усилителя приведён на рис. 4.2.б.4. Измерить время установления и перерегулирование σ, результаты занести в табл. 4.2.5. Оставив коэффициент усиления 40 дБ, включить корректирующую RC-цепь, соответствующую усилению 20 дБ (R4C5).Определить время установление и σ, результаты занести в табл.4.2.6. Установить коэффициент усиления 20 дБ и элементы коррекции, соответствующие этому усилению (R4C5). Определитьвремя установление и σ, результаты занести в табл. 4.2.63ПараметрСхема(пункт)tу, мксfc, МГцМр, дБσ, %Таблица 4.2Запасустойчивостипо фазеφз min, φз mах45…….10а10б117. Повторить п. 6 для корректирующей цепи R3C4 (недокоррекция!).Внимание! Здесь возможно самовозбуждение усилителя.Переходная характеристика приобретет вид незатухающейсинусоиды.
Необходимо определить период её колебаний ичастоту самовозбуждения.8. Установить коэффициент усиления 40 дБ, подключить соответствующую этому усилению цепь коррекции (R3C4), включить в цепь ОС конденсатор C1, имитирующий паразитнуювходную емкость ОУ.
Произвести те же измерения, что и в п.4…6.9. В собранную в п. 8 схему в цепь ОС включить конденсаторС6, компенсирующий ухудшение относительной устойчивостисхемы за счёт емкости С1. Произвести те же измерения, что и в п.8.10. В схеме п. 8 отключить конденсаторы С1, С6 и произвестите же измерения, что и в п. 8. для двух значениях ёмкости нагрузки – 180 и 1000 пФ.6411. Оставив в схеме п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
