Практические аспекты ОУ. АЧХ, сдвиг фазы

Добавлено 3 декабря 2018 в 08:49

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. Коэффициент усиления может уменьшаться на высоких частотах, а фаза может сдвигаться от входа к выходу. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Частотный отклик

Обладая невероятно высокими дифференциальными коэффициентами усиления по напряжению, операционные усилители являются первыми кандидатами на явление, известное как паразитные колебания (паразитное самовозбуждение). Вероятно, вы слышали эквивалентный аудиоэффект, когда громкость (усиление) микрофонной усилительной системы была установлена слишком высоко: этот высокочастотный визг, вызванный подачей звуковых колебаний через микрофон обратно в усилительную систему, где они снова усиливаются. Схема на операционном усилителе может проявлять такой же эффект, при этом обратная связь осуществляется электрически, а не в аудиоформе.

Пример этого можно увидеть в операционном усилителе 3130, если он будет подключен как повторитель напряжения с минимальным количеством соединений (два входа, выход и выводы подачи питания). Выход этого операционного усилителя будет самовозбуждаться, независимо от входного напряжения, из-за своего высокого коэффициента усиления. Для борьбы с этим явлением должен быть подключен компенсирующий конденсатор к двум специально предусмотренным выводам на операционном усилителе. Этот конденсатор обеспечивает высокоимпедансный путь для отрицательной обратной связи, возникающей внутри схемы операционного усилителя, таким образом, уменьшая усиление переменного напряжения и подавляя нежелательные колебания. Если операционный усилитель используется для усиления высокочастотных сигналов, этот компенсационный конденсатор может не понадобиться, но он абсолютно необходим для работы с сигналами постоянного напряжения или низкочастотного переменного напряжения.

Некоторые операционные усилители, такие как модель 741, имеют встроенный компенсационный конденсатор, чтобы минимизировать потребность во внешних компонентах. Это усовершенствующее упрощение не обошлась даром: из-за присутствия этого конденсатора внутри операционного усилителя отрицательная обратная связь имеет тенденцию усиливаться по мере увеличения частоты (поскольку реактивное сопротивление конденсатора при увеличении частоты уменьшается). В результате дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя по напряжению уменьшается по мере увеличения частоты: он становится менее эффективным усилителем на более высоких частотах.

Производители операционных усилителей публикуют графики амплитудно-частотных характеристик своих продуктов. Так как достаточно высокий дифференциальный коэффициент усиления абсолютно необходим в схемах на операционных усилителях для хорошей работы обратной связи, зависимость коэффициента усиления от частоты операционного усилителя эффективно ограничивает рабочую «полосу частот». Разработчик схемы должен учитывать это, если в требуемом диапазоне частот сигнала должна поддерживаться хорошая производительность.

Резюме

  • Из-за емкостей внутри операционных усилителей их дифференциальные коэффициенты усиления по напряжению имеют тенденцию уменьшаться по мере увеличения частоты входного сигнала. Графики амплитудно-частотных характеристик операционных усилителей предоставляются производителями.

Сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного

Чтобы проиллюстрировать сдвиг фазы выходного сигнала операционного усилителя относительно входного сигнала, был протестирован операционный усилитель OPA227. OPA227 был включен в типовую неинвертирующую схему (рисунок ниже).

Тестовая схема неинвертирующего усилителя для проверки сдвига фазы
Тестовая схема неинвертирующего усилителя на OPA227 для проверки сдвига фазы

Схема сконфигурирована для усиления примерно в 340 раз, или ≅50 дБ. Входной сигнал Vист был установлен на 10 мВ пик-пик и на три интересующие нас частоты: 2,2 кГц, 22 кГц и 220 кГц. Зависимость коэффициента усиления и фазы от частоты при разомкнутой цепи обратной связи для OPA227 показана на рисунке ниже.

Графики амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик
Графики амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик

Чтобы помочь предсказать для замкнутой петли обратной связи сдвиг фазы между входным и выходным сигналами, мы можем использовать графики коэффициента усиления и фазы при разомкнутой петле обратной связи. Так как конфигурация схемы требует коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи, или 1/β, ≅50, график коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи пересекает график коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи примерно на 22 кГц. После этого пересечения график коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи скатывается на типовые для усилителей с отрицательной обратной связью по напряжению 20 дБ/декада, и следует (повторяет) за графиком коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи.

Фактически здесь работает отрицательная обратная связь от замкнутой петли, которая изменяет частотный отклик разомкнутой петли. Замыкание петли отрицательной обратной связью устанавливает полюс замкнутой петли на 22 кГц. Подобно доминирующему полюсу на графике фазо-частотной характеристики при разомкнутой петле, мы ожидаем фазовый сдвиг в отклике для замкнутой петли. Насколько большой фазовый сдвиг мы увидим?

Поскольку новый полюс теперь находится на 22 кГц, это также точка -3 дБ, так как полоса начинается скат для замкнутой петли снова на 20 дБ/декада, как было указано ранее. Как и при любом полюсе в основах теории управления, фазовый сдвиг начинает происходить за одну декаду по частоте до полюса и заканчивается на 90° фазового сдвига через одну декаду по частоте после полюса. Итак, что это предсказывает для отклика при замкнутой петле в нашей схеме?

Это предскажет фазовый сдвиг, начинающийся на 2,2 кГц, фазовый сдвиг 45° в точке -3 дБ на 22 кГц и, наконец, окончание фазового сдвига с 90° на 220 кГц. Три рисунка, приведенных ниже, представляют собой осциллограммы на интересующих нас частотах в нашей схеме на OPA227.

На осциллограмме ниже сигнал 2,2 кГц, и никакого заметного сдвига фазы нет.

OPA227 Av = 50 дБ @ 2.2 кГц
OPA227 Av = 50 дБ @ 2.2 кГц

На осциллограмме ниже сигнал 22 кГц, и зарегистрирован сдвиг фазы ≅45°.

OPA227 Av = 50 дБ @ 22 кГц
OPA227 Av = 50 дБ @ 22 кГц

И наконец, на осциллограмме ниже сигнал 220 кГц, и зарегистрирован сдвиг фазы ≅90°.

OPA227 Av = 50 дБ @ 220 кГц
OPA227 Av = 50 дБ @ 220 кГц

Осциллограммы были сделаны с помощью осциллографа LeCroy 44x Wavesurfer. Последняя осциллограмма была снята с пробником x1 с включенным фильтром верхних частот.


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке