Пр обоих видах включения ОУ усиление по петле обратной связи определяется как отношение усиления при разомкнутой ОС к усилению при замкнутой ОС. Когда усиление по петле велико, неточности, содержа-шиеся в расчетных уравнениях, уменьшаются. Напри-.мср, если усиление при разомкнутой обратной связи равно 1000, а усиление при замкнутой обратной связ[1 равно 100, усиление по петле рав,но 10. Если усиление при замкнутой обратной связи уменьшить до 10, усиление но петле возрастет до 100 и уравнения, приведенные для рис. 1.16 и 1.17, будут более точными. Однако, как рассказывается в последующих параграфах, работать с большим усилением по петле не всегда возможно и даже не всегда желательно.

В инвертирующей схеме (см. рис. 1.16) входное полное сопротивление ОУ Znx (по отношению к входному сигналу) приблизительно равно сопротивлению Zn. Выходное полное сопротивление Zbmx приблизительно равно собственному выходному сопротивлению ОУ Zoi, поделенному на усиление по петле. Коэффициент ослабления синфазного сигнала н.мсет некоторое значение, много большее отношения RnlZ. Таким образом, для хоро шего ослабления синфазного сигнала желательно И|Меть большое значение Rn. Однако это не всегда возможно

При неинвертирующсм включении (см. рис. 1.17) характеристики ОУ фактически такие же, как при 1швер-тирующсм, что видно из уравнений. Главное различие состоит в то.м, что сОбствеиное входное сопротивление ОУ оказывает при неинвертирующсм включении бо1ь-шее влияние на работу схемы.

1.2.2. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИДЕАЛЬНОГО ОУ

На рнс. 1.18 показано, каким образом зависит от частоты усиление идеального ОУ. Здесь усиление при разомкнутой обратной связи остается неизменным вплоть до некоторой частоты, а затем начинает уменьншться с ностоянной скоростью. Точку, в которой начинается этот спад частотной характеристики, иногда называют полюсом. Частотная характеристика усиления, показанная на рис. 1.18 [эту графическую зависимость называют также диаграммой Боле, характеристикой усилоння (ширины полосы) или просто частотной характеристикой], однополюсная. Начиная с первого (и

2- 35

единственного) полюса, усилевие при разомкнутой ОС спадает со скоростью 6 дБ/октава, или 20 дБ/декада. Слова 6 дБ/октава оз)начают, что усиление надает на 6 лБ всякий раз, когда частота удваивается. Соответственно усиление шадает на 20 дБ при увеличении частоты в 10 раз.

Если бы ОУ обладал частотной характеристикой, подобной приведенной иа рис. 1.18, для него при надлежащем выбо1ре компонентов цепи обратной связи

Усиление при ра:омкнутой ОС

10 10 10 10 W* 10 10

Частота, Гц

Рис. 1.18. Частотная характеристика усиления идеального ОУ. Усиление по петле примерно равно отношению усилений при разомкну-JOH Ji замкнутой ОС

можно было бы (Получить любое усиление при замкнутой ОС (но, конечно, меньшее, чем усиление при разомкнутой ОС). При -этом усилитель в любом случае оставался бы устойчивы.м. Заботиться пришлось бы лишь о приемлемом комлромиосе между усилением и шафиной полосы ОУ (граничной частотой).

Например, если надо получить усиление по напряжению 40 дБ (100), сопротивление в цепи ОС должно быть в 100 раз выше, чем входное сопротивление. Тогда частотная характеристика усиления останется плоской до частоты 10 Гц, после чего начнет спадать со скоростью 6 дБ/октава и достигнет усиления, равного единице, лри частоте 10 Гц. Если требуется усиление 60 дБ (1000), сопротивление обратной связи должно быть в 1000 раз больше входного сопротивления. При

этом ширина (ПОЛОСЫ ОУ сократится. Характери'сти'ка усиления в это.м случае останется плоской до частоты 10 Гц (iBMccTO 10* Г'ц), затем .начнет спадать со скоростью 6 дБ/октава вплоть до единичного уоиления.

Следует заметить, что в практических схемах ОУ частотные характеристики редко бывают лохожи на ха-еактернстику, изображенную на рис. 1.18. Возможное исключение представляет интегральный ОУ с внутренней коррекцией, 1КОторый (будет описан ниже.

1.2.3. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАЛЬНОГО ОУ

Частотная характеристика реального ОУ при разомкнутой обратной связ и скорее сходна с той, что показана на рис. 1.19. Это трехподюсная характеристи-

О

45

-90 -135

ZZ5 270

GO kO ZQ 0

It se

Ц se г

Уастота,/<Гц

г и SB

Рнс 1 19 Частотная характеристика уси.тсния (/) и фазо-частот-ная характеристика (2) ОУ с разомкнутой ОС при отсутствии фазовой коррекции (с разрешения фирмы RCA )

ка. Первый >полк>с соответствует частоте около 0,2 МГц, второй - частоте 2 МГц и третий - частоте 20 МГц. Частотная характеристика реального ОУ не >имеет острых изломов в точка.х полюсов. Вместо этого вблизи полюсов имеются закругления , так что трудно бывает точно установить частоту, которой соответствует полюс. Кривая рис. 1.19 приведена для иллюстрации некоторых свойств частотных характеристик ОУ.

На характеристике рис. 1.19 усиление остается неизменным и равным 60 дБ вплоть до частоты первого по-

люса, затем опадает и на частоте второго полюса достигает \ровня 40 дБ. Поскольку частотный интервал между первым и вторым полюсам.и равен одной декаде (0,2-2 МГц), скорость спада равна 20 тБ/декада, .или 6 дБ/октава. Далее, между вторым н третьим полюсами характеристика продолжает спадать от \ровня 40 дБ до уровня О дБ. Таким образо.м, скорость спада равна 40 дБ/декада, или 12 дБ/октава. После третьего полюса усиление с ростом частоты падает ниже единицы со скоростью 60 дБ/декада, или 18 дБ/октава.

В некоторых технических паспортах интегральных ОУ приводятся кривые, подобные показанным на рис 1.19. Если этих кривых в техническом паспорте нет. всегда можно измерить параметры ОУ в лаборатории и построить фактические частотные характеристик^г (амплитудно-частотную и фазо-частотн\ю). Соответствующие процедуры измерения описываются в гл. 5.

1.2.4. ФАЗОВЫЙ СДВИГ

Па рис. 1.19 приведена таклче зависимость фазового сдвига в ОУ от частоты. По мере роста частоты увеличивается фазовый сдвиг между входным и вы-ходн1лм сигналами ОУ. До частоты приблизительно 0,02 МГц фазовый сдв^иг равен нулю. Р1иым1И словами, выходные сигналы находятся в фазе с сигнала.ми на не-инвертирующем входе и сдвинуты точно па 180° относительно сигналов на инвертирующем входе Когда частота возрастает примерно до 0,2 МГц, фазовьи ! сдвиг достигает примерно 45°. Это значит, что выходные сигналы отличаются от сигналов на иоинвертирующем входе иа 45°, а от сигналов на инвертирующем входе - иа 180°-45°= 135°. На частоте около 6 МГц выходные сигналы оказываются сдвинутыми на 180° oтнoCiЧтeльнo сигналов на неритвсртирующем входе и находятся в фазе с сигналами иа инвертируюпхем входе. Поскольку вых01н0й сигнал подается через Zoc обратно на инвер-тирхющий вход, входной и выходной сигналы ОУ ока-зьпзаются в фазе. Если амплитуда выходного сигнала достаточно велика, в ОУ произойдет самовозбуждение.

Самовозбуждение может возникнуть, если выходной сигнал сдвинут относительно входного приблизительно на 180° (и подается обратно на инвертирующий вход). Но даже если самовозбуждения не произойдет, ОУ начнет работать неустойчиво. Например, частотная харак-

теристика усиления перестанет быть плоской. Обычно она становится резонансной, т. е. усиление остается постояиныл! вплоть до частоты, при которой фазовый сдвиг достигает приблизительно 180°, а затем уоиленИ'С резко возрастает. Это происходит вследствие того, что выходные сигналы, близкие по фа зс к в.ход?1ы.м сигналам, как бы подхлестывают их. Затем, при более высоких частотах, усиление резко падает и (или) возникают автоколебания (самовозбужаеиие). Для ориентировки можно указать, что ОУ ни в коем случае нельзя заставлять работать без фазовой коррекции на частоте, при которой фазовый сдвиг близок к 180° (выше 170°). Для ОУ, частотные ларактсрнстнки хоторого изображены на рис. 1.19, максимальная частота сигнала без коррекции была бы равна 5 Л\Ги. Это частота, на которой усиление при разомкнутой обратной связи равно приблизительно

+25 дб:

В литературе по онерационным усилителям часто встречается еще одно указание, основанное на том обстоятельстве, что фазовый сдвиг 180° почти всегда наблюдается при частоте, на .которой скорость спада характеристики усиления (при разомкнутой ОС) раина 12 дБ/октава. Поэто.му усиление при замкнутой обратной связи следует выбирать таким, чтобы единичное усилсН]!е достигалось ,на некоторой частоте oko.io начала слада со скоростью 12 дБ/октава (на рис. 1.19 это . ,)0тветствует 2 МГц). Однако при этом усилитель обычно имеет слишком низкую граничную частоту.

Более полезное для практики правило можно сформулировать следующим О'бразом: ОУ будет неустойчив, если выбранное значение усиления при замкнутой обратной связ'И равно или меньше усиления при рало\!Х-нуюй обратной связи в точке фазового сдвига 180°. Например, если выбрано усиление при замкнутой обратной связи 20 дБ или меньше, усилитель, имеющий частотные характсрнсгики (нескорректированные), подобные показанным на рнс. 1.19,-будет неухтойчив.

Чтобы иайти мтшмальное усиление при зам-кнутой ОС, достаточно просто заметить на фазовой характеристике точку, в которой фазовый угол равен -180°, затем провести из этой точки вертикальную прямую до пересечения с частотной характерагстикой усиления при разомкнутой обратной связи. Усиление при замкнутой ОС должно быть больше, чем усиление при разомкну-

той ОС на частотэ, где фазовый сдвиг равен 180°, по меньше, чем максимальное усиление при разомкнутой обратной связи. Например, для усилителя, частотные .характеристики которого приведены .на рис. 1.19, усиление при замкнутой обратной связи должно быть больше 20 дБ, но меньше 60 дБ.

Следует иметь в виду, что В'се эти правила относятся к ОУ .без коррекиии. Пр.и правильной фазовой коррекции МОЖНО увеличить .граничную частоту и (или) по-высить уоиление ОУ.

1.2.5. МЕТОДЫ ФАЗОВОЙ КОРРЕКЦИИ

Трудности, возникающие при расчете ОУ вследствие чрезмерного фазового сдвига, можно устранить путем использования методов коррекции, которая изменяет частотную характеристику таким образом, что избыточные фазовые сдвиги исключаются. Ниже излагаются основные методы фазовой коррекции.

Изменение усиления при замкнутой обратной связи. Характеристику усиления при замкнутой ОС можно изменить, включая в контур обратной связи конденсаторы и (или) индуктивности (вместо постоянных резисторов). Эти элементы изменяют характер сопротивления обратной связи: оно превращается из чисто активного в комплексное, изменяющееся с частотой. Вследствие этого величина коэффициента обратной связи стаиоБИтся различной для разных частот, а сигнал обратной связи приобретает сдвиг по фазе, чем компенсируется нежелательный фазовый сдвиг в цепях прямой передачи усилителя.

В общем случае метод коррекции фазового сдвига путем внесения реактивностей в контур ОС не рекомендуется к применению, так как он затрудняет получение требуемого выходного сопротивления на верхнем и нижнем пределах частотного диапазона. Однако он используется в тех случаях, когда ОУ со.ставляет часть полосового режекторного или резонансного фильтра (см. гл. 2).

Изменение входного сопротивления. Входное сопротивление усилителя с разомкнутой ОС можно изменить, подключив к входным клеММам ОУ резисторы и конденсаторы. Входное сопротивление последовательной /?С-цепочки падает с ростом частоты, в; результате чего изменяется входное сопротивление ОУ.

в свою очередь, изменение входного сопротавлсния с частотой приводит к изменению граничной частоты и фазо-частотной характеристики ОУ. В такой схеме спад частотной характеристики начинается три более низкой частоте, о зато скорость спада остается постоянной, как на идеальной характеристике рис. 1.18. При пра-

Споррентироданиое

Нескорректированное

бдБ/октава IZdS/cmaffa 18д6[окта8а \ В

0,PJ

0,1 1 10 Частота,МГи,

Рис 120. Коррекция изменением входного сопротивления (метод раннего спада частотной характеристики); Ri = Входное сопротивление ОУ; Ri=R3,

Коэффициент усиления без коррекции

Afi + /<э =---77-Г- /<Г,

Коэффициент усиления с коррекцией

Ci = l/6,28fD/?2; R=4Ri+Rz)l{fi,lfc-l)[l+{Ri+Rz)m;

вильном выборе тсорректирующей RC-пточки требуемое усиление при замкн'утой ОС можно получить цутем простого (под'бора сопротивлений внешних резисторов.

Методы фазовой коррекции, при которьи изменяется входное сопротивление усилителя при разомкнутой обратной связи, позволяют ввести нуль в передаточную функцию ОУ. Этот нуль можно задать таким образом, чтобы он компенсировал один из полюсов частотной характеристики при разомкнутой ОС. Обычно ко.мпенои-руется первый полюс, и усиление при разом'кнутой обратной связи падает до нуля в точке второго полюса. Таким образом, после коррекции частотная характеристика падает до нуля при той частоте, при которой у нескорректированной характеристики скорость спада

меняется с 6 на 12 аБ/о'ктава (рнс. 1.20). При другом, реже используемом способе коррекции путем изменения в.ходного сопротивления характеристика падает до нуля при частоте, где скорость спада нескорректирован-лой характер-истики Меняется с 12 на 18 дБ/октава. Оба способа коррекции путем изменения входного сопротивления подробно рассматриваются в 1.2.6.

Коррекция с фазовым опережением. Частотную характеристику усиления при разомкнутоГг обратной связи и фазовую характеристику ОУ можно модифицировать путем подключения конденсатора (или нескольких конденсаторов) К каскадам ОУ. Обычно эт1г конденсаторы включают между коллекторами одного из дифференциальных каскадов, обладаюнего высоким усилением. В большинстве случаев конденсаторы являются внешними по отношению к функциональному узлу ОУ Н подсоединяются к внутренни.м каскадам через выводы, предусмотренные на корпусе ОУ (такие выводы показаны на рис. 1.5-1.7).

Для осуществления коррекции с фазовым опереже-hhcm необходимо знать собственные параметры ОУ. Обычно данные (Но коррекции с фазовым опережеинем приводятся в техническом паспорте ОУ. Наиболее рас-ирострапенные способы такой фазовой коррекцией рассматриваются в 1.2.7.

Коррекция с фазовым запаздыванием. Частотную характеристику усиления при разомкнутой обратной связи и фазовую характеристику ОУ можно модифицировать путем подключения последовательной резистивно-емкостной цепочки к каскада.м ОУ. Имеются два основных способа коррекции с фазовым запаздыванием.

При первом способе, обычно именуемом RC-коррск-цией, прямой коррекцией или коррекцией с фазовым запаздыванием, частотную характеристику при разоМ'К-нутой о'братной связи изменяют посредством подключения RC-ii&nomm параллельно какому-либо схемному узлу, например параллельно входу или выходу усилительного каскада ОУ.

При втором способе, обычно именуемом коррекцией на основе эффекта Миллера или коррекцией с фазовым запаздыванием на основе эффекта Миллера, частотную характеристику при разом'кнутой обратной связи изменяют путем подключения RC-пеиочш между входом и выходом одного из инвертирующих усилительных кас-42

кадов ОУ. ТоГда сопротивление корректирующей iC-це-почки оказывается поделенным на коэффициент уоиления этого каскада.

При обоих способах спаа характеристики начинается при угловой частоте, задаваемой iC-цепочкой. При коррекции на основе эффекта Миллера требуется фазо-корректирующий конденсатор меньшей емкости, чем при прямой коррекции. Кроме того, уменьшение размаха входного напряжения, присущее способу прямой коррекции, в значительной мере скрадывается при использовании коррекции на основе эффекта Миллера.

Как и при коррекции с фазовым опережением, при любом способе коррекции с фазовым запаздыванием необходимо знать собственные параметры ОУ, Обычно данные но коррекции с фазовым запаздыванием приводятся в техническом паспорте ОУ (если изготовитель рекомендует для своего ОУ такие методы коррекции). Типичная схема прямой коррекции описывается в 1.2.7. Коррекция на основе эффекта Миллера рассматривается в 1.2.8.

Выбор метода коррекции. В достаточно полном техническом паспорте на ОУ всегда содержатся реко.мендацин по применению одного или нескольких методов фазовой коррекиди! и сравнительные характеристики этих методов. Обычно с этой целью в паспорте приводятся частотные характеристики ОУ при использовании корректирующих цепочек нескольких видов. Несколько подобных примеров приведено в 1 2 6-1.2 8.

Во всех случаях необходимо использовать рекомендованные методы фазовой коррекции. Правильная фазовая коррекция ОУ - дело трудное, и се в лучшем случае можно добиться лишь после целого ряда неудачных попыток Пользуясь схемами коррекции, рекомендуемыми в техническом паспорте, можно сразу воспользоваться опытом, который специалисты фирмы-изготовителя накопили в процессе серийного изготовления ОУ.

Если технический паспорт ОУ отсутствует или в нем не приводятся необходимые данные, можно в крайнем случае разработать схему коррекции самостоятельно, пользуясь определенными правилами, хорошо проверенными на практике.

Первым этапом фазовой коррекции (когда разработчик не следует указаниям технического паспорта ОУ) является снятие частотной характеристики усиления при разомкнутой обратной связи, а также фазо-частотной

характеристики ОУ, как это описывается в гл. 5. Затем надо иостраить эти характеристики подобно тому, как это сделано на рис. 1.19. Имея реальную частотную характеристику усиления при разо.мкнутой обратной связи, а также Данные, приводимые в 1.2.5-1.2.8, можно вьгбрать предварительные значения элементов фазотор-ре1ктирующей цепочки. Затем надо снова снять амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. Если результирующие характеристики отличаются от желаемых, необходимо изменить значения элементов фа-зокорректнрующей цепочки.

Каждый метод фазовой коррекции имеет ово'И достоинства и недостатки. Главным достоинством метода коррекции путем изменения входного сопротивления (см. 1 2.6) является то, что он может быть реализован без использования данных, приводимых в техническом паспорте ОУ (или при ограниченном объе.ме эт!их данных). Единственным парзМетром ОУ, который при этом необход'мо знать, является входное сопротивление. Этот параметр почти всепда приводится в техническом паспорте ил.и каталоге фирмы-изготовителя. Если этого нет, входное сопротивление легко .можно определить при помощи простого измерения (см. гл. 5).

Чаще всего для ОУ (особенно интегральных ОУ) используется коррекция с фазовым опережением или фазовы<м запаздыванием. Эти методы имеют перед коррекцией путем изменения входного сопротивления то преимущество, что фазокорректирующая цепочка о^ка-зывается полностью изолированной от цепи обратной связи. В .случае коррекции путем цзменения входного сопротивления сопротивление фазокорректирующей цепочки составляет часть цепи обратной связи.

Методы коррекции с фазовым опережением и фазовым запаздыванием обладают некоторыми недостатка-.ми. Тщательное изучение данных, приводимых в 1.2.7- 1.2.9, покажет читателю, что для точного предсказания вида окоррект1грованной частотной характеристики необходимо предварительно знать некоторые собственные параметры ОУ. В стучае коррекции с фазовым опережением (см. 1.2.7) вид скорректированной характеристики полностью зависит от фактических значений емкостей корректирующих конденсаторов и ее необходимо снять путем прямых измерений. В случае коррекции <с фазовым запаздыванием (см. 1.2.8 и 1.2.9) выбирае-мые значения сопротивления и емкости корректирую-44