Гусев - Электроника (944138), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Запас устойчивости по фазе ~р,,„= 180' — ср,=62"; по амплитуде К„„ определяется по значению К„ на частоте со„ на которой ~р„= 180'. Для получения монотонной частотной характеристики с ОС запас устойчивости по фазе следует брать не менее 60", а по амплитуде — 3 дБ. При запасе устойчивости по фазе, меньшем Зх5 4гг,дб бе» бе» гд(д— д, ~ (дгв тте Ре д) Рис. 5.23. ЛАЧХ (а) и ЛФЧХ (б] петлевого уси- ления )Гу Рис. 5.24. ЛАЧХ (и) и ЛФЧХ (б) петлевого усиления б) Ау 60, наблюдается увеличение козффициента усиления усилителя в диапазоне высоких частот и выброс напряжения на переходной характеристике. Если запас устойчивости по фазе меньше 30', то переходный процесс, наблюдаемый при подаче скачка напряжения, имеет колебательный харак гер.
При частотно-зависимой обратной связи (см. рис. 5.22,в, г) при учете С,„ 7 ~1)( '2+~!)' (5.57) ! где Уг =)т! )глС,„ Уравнение (5.57) записано с учетом допущения, что У.,'„-+ т3, )г,„- со. Уравнение (5.57) после преобразований можно записать в виде Я, ! у[ЛЬ1=2018 )(14 )(г (л)гет где т=С„„-- л1 (2 в» Л Тогда ЛАЧХ и ЛФЧХ цени ОС имеют вид, гюказанный на рис. 5.24, а, 6, где оуг = 1)т. Рассмотрение результирующих характеристик для Ку, полученных путем суммирования ЛАЧХ и ЛФЧХ К„и у, показывает, что дополнительный фазовый сдвиг достигает 180" на частоте оу . Петлевое усиление на ней равно Ку )1.
Следовательно, ОУ возбудится. Устранить самовозбуждейие можно путем уменыпения постоянной времени. Для злого следует уменьшить резисторы Яг, Я так, 386 чтобы частота ез, сместилась существенно вправо. Тогда цепь ОС будет менять ЛФЧХ Ку в той полосе частот, где Ку<!. Поэтому с точки зрения устойчивости желательно уменьшать номиналы резисторов Я,, Я,. хотя с точки зрения коэффициента усиления это вопрос не принципиальный. Для усилителя 1см. рис. 5.23,а) наихудшие результаты будут при использовании больших значений Я и отсутствии резистора Я,, т. е.
тогда, когда действует 100'11-ная ОС и ʄ— ~1. В этом случае т имеет максимальное значение т = С,„Я, и частота гя сдвигается в левую сторону. Поэтому повторители напряжения с неинвертирующим входом склонны к самовозбуждению. Это не свойственно для усилителей рис. 5.22,6, так как у них единичный коэффициент усиления будет при Я, =Я, и при тех же значениях резистора Я, постоянная времени т будет в два раза меньше.
Кроме того, в схеме рис. 5.22,а сопротивление У',„ухудшает устойчивость. Учесть его можно аналогично рассмотренному. Устойчивость можно также увеличить, включив параллельно с резистором Я, 1см. рис. 5.22,а) конденсатор болыпой емкости С. Тогда т=(С,„+С) -- — и частота ы,— О. Соответствующими А,л~ лг построениями ЛАЧХ и ЛФЧХ можно показать, что в этом случае при правильном выборе параметров также обеспечиваются устойчивость и необходимый ее запас.
Г1ри этом из-за существенного изменения Ку сильно меняется с частотой коэффициент усиления К„ (в области низких частот). Из этого следует вывод, что для обеспечения устойчивости важны не столько абсолютные значения постоянных времени звеньев, харакз еризуемые частотами сопряжения асимптот, сколько их значения относительно друг друга. Для облегчения обеспечения устойчивости частоты сопряжений желательно разносить между собой не менее чем на две декады.
Тогда будет обеспечена близкая к оптимальной фазовая характеристика Ку. На практике надо стремиться к разнесению частот сопряжений 1полюсов и нулей функции передачи Ку) хотя бы на декаду. Рассмотренный подход позволяет ие только оценить устойчивость, но и ориентировочно найти границы допустимого изменения коэффициента обратной связи у, при котором усилитель работает устойчиво.
Если в результате анализа или экспериментальных исследований выяснено, что усилитель неустойчив, то необходимо вводить корректирующие цспи, изменяющие его фазовую и амплитудную частотные харак ~ еристики. Корректирующие цепи чаще всего выполняют пассивными. В зависимости от схем включения реактивных компонентов они создают в определенной области частот отставание или опережение напряжения по фазе.
Лкяд а) -дд Чдд (е ад/дЕк Рис. 5.25 Включение корректирующего конленсатора (а); изменение ЛАЧХ и ЛФЧХ при коррекции (о); включение коррекции у ОУ (к); с коррекцией, — без коррекции Чаще всего применяют цепи интегрирующего типа (рис. 5.25, а, 5.2б, а, 5.27,а). При простейшей коррекции в цепь нагрузки усилительного каскада включают конденсатор С„ (рис.
5.25, а). Это приводит к появлению дополнительного полюса, характеризуемого частотой озг ~озг= ( (рис. 5.25„б). 1~ — д,с) а) Рис. 5.26. Корректирующая цепь, обеспечивающая отставание по фазе (а) и ее ЛАЧХ и ЛФЧХ (б); ЛАЧХ и ЛФЧХ скоррек- тированного усилителя (к); включение коррекции у ОУ (г) 388 я~ Буи'дд и яг пь ()екк дек О дд)Як и Хге д) хк,,рг ауагех а) грайФ Рис. 5.27. Включение корректируюнцето конденсатора (а), экаиаа- лентная схема (б); ЛАЧХ и ЛФЧХ (е); коррекция ОУ (г) Если у нескорректированного усилителя Ку=1 на частоте оэз, то у скорректированного усилителя эта частота равна цэ .
Существенно меняется и ЛФЧХ (рис. 5.25, б). В результате этого на частоте оэа дополнительный фазовый сдвиг равен 140=, что свидетельствует об устойчивости усилителя. ЛФЧХ построено приближенно по ЛФЧХ звеньев в соответствии с вышерассмотренным.
Недостаток такой коррекции заключается в сильном уменьшении коэффициента усиления начиная со сравнительно небольшой частоты оэ,. Это приводит к плохим частотным характеристикам устройств. При ее использовании в ОУ корректирующий конденсатор С„подключают между выводом коррекции и землей (рис. 5.25,в). Больший коэффициент усиления в области повышенных частот дает корректирующая цепь (рис. 5.26, и). Функция ее передачи имеет вид и„,„„) -';у еэя, С„ и,„)+~ (я,ч я,)с„ (5.59) ЛАЧХ и ЛФЧХ этой цепи приведены на рис. 5.26, б, причем цэ, — - частота, характеризующая полюс функции (5.59), оэ, =(11С„) (Я, + Я ). Частота оэ, — нуль функции (5.59), цэ,=1/(С,А,). Из-за особенностей ЛАЧХ и ЛФЧХ корректирующего звена на ЛАЧХ скорректированного усилителя появляется горизонтальный участок рис.
5.26, в, па котором фазовый 389 (),„,= К„,(1'а) (7,„— ="-, '" л-у~ (5.60) где г.„=11( /аС„) [1+К„„(уа)]. После преобразований (5.60) можно записать К„(1'а) = — уч" = К„„(уа) — — - -- . (5.61) 1О 1~С, [1-уК,„(до)] я До частоты а„при построении ЛАЧХ можно пренебречь членом /аС„[1+ К„„(уа)], причем так как а, < аз < аз, то в этой полосе частот К,„(7'а)=К„„(0) и ау(11С)[1 +Куо(0)1 (5,62) За частотой а, пренебрегаем единицей в знаменателе выражения (5.61), и оно принимает вид уоуЯС„[1- К „(/оу)] уоУЛГ. (5.63) Из (5.61), (5.63) следует, что за частотой а, наклон асимптоты равен -20 дБ1'дек и сохраняется таким до тех пор, пока справедливо условие 1К„,(7'а)(>1 (рис.
5.27,в), т. е. практически до предельной частоты а, характеризующей область, где возможно самовозбуждение. При такой коррекции дополнительный фазовый сдвиг не превышает — 90" (рис. 5.27, в) в полосе частот, опасных с ~очки зрения устойчивости. Следовательно, при резистивных ОС любой глубины усилитель устойчив. Коррекция такого вида эффективна и вводится в состав ряда ОУ с внутренней коррекцией. У ОУ, где ее нет, она вводится или с помошью навесного конденсатора С'„, или с помощью конденсатора С„, подключаемого к выводам частотной коррекции (рис.
5.27,г). При отдельных видах обратной связи может оказаться целесообразным использование корректирующих звеньев, обес- зао сдвиг уменьшается. Благодаря этому увеличивается частота, на которой дополнительный фазовый сдвиг достигает 180', а соответственно улучшается устойчивость. Этот вид коррекции чаще всего применяют в ОУ (рис. 5.26,г). Включение в цепь отрицательной ОС конденсатора С„ (рис.
5.27, а) позволяет эффективно скорректировать усилитель. При этом если в его функции передачи в полосе частот, где возможно усиление, было два полюса К„„(1а) = К„„(0) х 1 х ---, то ввеление конденсатора С„делает функцию (1 о-у оуу, ) (1-о) ол, ) ' передачи на этом участке однополюсной. Из эквивалентной схемы усилителя рис. 5.26,6 (см. а 5.6) следует, что угг' г5 ' к, а) Рис. 5.28. Корректирующая цепь, обесггечивающая опережение по фазе (а), и ее ЛАЧХ и ЛФЧХ (бг] печивающих опережение по фазе (рнс.
5.28, а). Их ЛАЧХ н ЛФЧХ приведены на рис. 5.28, б. При построении высокоточных широкополосных устройств коррекция характеристик и обеспечение устойчивости является одним из наиболее сложных вопросов, которые решаются индивидуально для каждого функционального узла. В отдельных случаях для улучшения устойчивости вводят даже специальный высокочастотный параллельный канал, уменьшающий фазовый сдвиг у усилителя на высоких частотах. Для ОУ обычно приводятся рекомендуемые схемы коррекции и номиналы компонентов, рекомендуемые к применению нри введении ОС определенной глубины.
При этом следует учитывать, что выходное сопротивление ОУ не равно нулю. Поэтому наличие у нагрузки емкостной или индуктивной составляющих дополнительно усложняет вопросы обеспечения устойчивости, так как в функции передачи появляются дополнительные полюсы или нули.
При емкостной нагрузке С„последовательно с выходом ОУ рекомендуется включать резистор Я и дополнительно вводить ОС с помощью резистора )св и конденсатора С, ~рис. 5.29, а). Параметры этих компонентов выбирают из условия гх, С„= гхзС . Смысл такой коррекции заключается в том, что дозтолнительный полюс, появляющийся в передаточной функции ОУ из-за влияния гт' Си, компенсируется нулем, создаваемым компонентами Я„С,. вт а' Рис. 5.29.
Коррекция ОУ при емкостной га) и индуктивной (б) нагрузках 391 С точки зрения устойчивости особую сложность представляет собой нагрузка в виде резонансных т.С-контуров (рис. 5.28, 6). В этом случае стремятся получить в ОУ минимальное выходное сопротивление, лля чего вводят 100;4-ную обратную связь и последовательно с выходом включают дополнительный резистор Я.
Значение его выбирают из условия )х > Е„/С„, так чтобы колебательный переходный процесс, возникающий в цепи усилителя, был затухающим. Если у усилителя имеется несколько петель обратной связи, то сначала надо исследовать устойчивость узлов, охваченных местными ОС. После этого рассматривается весь ОУ, причем функциональные узлы, в устойчивости которых убедились, считаются независимыми компонентами с известными частотными характеристиками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
