2.14. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА И САМОВОЗБУЖДЕНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ

Б идеальном ОУ мы не вводим ограничений по частотным свойствам, считая, что ОУ способен усиливать сигналы любой частоты, начиная от постоянной составляющей и кончая высокочастотными колебаниями, при этом не зависит от частоты, а фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами равен нулю при подаче сигнала на прямой вход и равен при подаче сигнала на инверсный вход. В реальном ОУ, как и в любом другом транзисторном усилителе, способность усиливать высокочастотные сигналы ограничена инерционностью усилительного элемента — транзистора.

Рис. 2.26. Форма сигналов на входе и выходе ОУ

Рис. 2.27. Частотные характеристики ОУ

При рассмотрении транзистора (§ 1.5) было установлено, что с ростом частоты модуль коэффициента передачи уменьшается и появляется запаздывающий фазовый сдвиг. Указанное явление обусловливает зависимость ОУ от частоты: с ростом частоты также уменьшается, появляется запаздывающий фазовый сдвиг, т. е. приобретает комплексный характер. На рис. 2.26 показана форма ОУ при подаче на вход сигналов прямоугольной формы. Инерционность транзисторов приводит к тому что форма импульсов искажается, импульсы имеют трапецеидальную, а при высокой частоте следования импульсов — треугольную форму. На высоких частотах амплитуда импульсов падает, так как за время импульса напряжение не успевает дорасти до предельного значения.

Интенсивность снижения коэффициента усиления зависит от числа каскадов усилителя. В области высоких частот на частоте f коэффициент усиления каскада падает в раз и появляется запаздывающий фазовый сдвиг В многокаскадном усилителе модуль коэффициента усиления

где — модули коэффициентов усиления каскадов в области низких и средних частот. Таким образом, падает в раз, где . Фазовый сдвиг накапливается от каскада к каскаду, и в многокаскадном усилителе он равен Зависимость называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя, а зависимость -частотной характеристикой. На рис. 2.27 приведены типичные характеристики ОУ.

На частотных характеристиках можно выделить две области: в первой из них максимален и фазовый сдвиг отсутствует, эта область называется полосой пропускания усилителя; во второй области, области высоких частот, падает и с ростом частоты нарастает фазовый сдвиг Для разграничения областей вводится количественный критерий. Чаще всего области разграничиваются частотой , на которой V2. При необходимости большей стабильности в пределах полосы пропускания она ограничивается на уровне и даже

Современная промышленность обеспечивает производство весьма совершенных схем ОУ, в которых полоса пропускания достаточна для их практического использования в большинстве схем промышленной электроники.

Однако неидеальность частотных свойств ОУ необходимо учитывать при использовании схем с ОС, применение которой, как было показано ранее, является обязательным в любом усилительном устройстве. Обратимся к схеме рис. 2.18, а. Коэффициент усиления этой схемы определяется по формуле (2.23). Однако в области высших частот коэффициент усиления ОУ следует считать комплексной величиной , так как между выходным и входным напряжением ИМС появляется фазовый сдвиг . Тогда комплексный характер приобретает и коэффициент усиления схемы рис,

На частоте , показанной на рис. 2.27, фазовый сдвиг 180°. Коэффициент усиления на этой частоте является действительной, но отрицательной величиной: . Подставим это значение в (2.34):

На частоте , т. е. за счет фазового сдвига ООС превратилась в ПОС, увеличивающую . При из (2.35) получаем . Это , что при на выходе существует ненулевоевыходное напряжение. Это явление называется самовозбуждением лителя и совершенно недопустимо при его работе. Объясняется это явление тем, что при ПОС поступающий на вход выходной сигнал поддерживает выходное напряжение, которое по цепи ОС вновь возбуждает ОУ. При выходное напряжение будет увеличиваться до тех пор, пока искажения формы сигнала не приведут к снижению , так что установится .

Сформулируем условия самовозбуждения-.

1) , где — суммарный фазовый сдвиг, вносимый при передаче сигнала ОУ и ОС. Выполнение этого условия означает существование ПОС.

2) .

Для исключения возможности самовозбуждения в усилительных устройствах принимаются разнообразные меры! во-первых, число каскадов, охваченных ОС, должно быть ограничено, так как каждый новый каскад увеличивает фазовый сдвиг на высоких частотах. Поэтому в ОУ применяют трехкаскадные схемы, а в последние годы — и двухкаскадные ОУ. Возможности получения очень высоких значений в одной ИМС при этом ограничиваются. Во-вторых, применяют корректирующие -цепочки, которые подключаются к определенным выводам ОУ и снижают на частоте до минимума, при котором условия самовозбуждения не выполняются, т. е. при . Амплитудно-частотная характеристика ОУ при этом изменяется, как показано на рис. 2.27, а пунктиром.

Типовые схемы корректирующих цепей широко приводятся в справочной литературе. Расчет корректирующих Цепей проводится методами, используемыми в теории автоматического регулирования для анализа и синтеза линейных непрерывных автоматических систем. В ряде ОУ корректирующие цепочки выполнены в составе самой ИМС.

Устранение опасности самовозбуждения при применении корректирующих цепёй сужает полосу пропускания усилительных устройств. Это является своеобразной платой за те преимущества, которые дает нам использование ООС. Надо заметить, что сами по себе цепи ООС стабилизируют коэффициент усиления и расширяют полосу пропускания, но это не искупает снижения при введении корректирующих цепей.

Опасность самовозбуждения часто подстерегает разработчиков электронных устройств даже при правильно выбранных цепях коррекции. Самовозбуждение может возникнуть за счет паразитных ОС, т. е. таких, которые не предусматриваются разработчиком. Эти связи могут возникнуть из-за наличия паразитных реактивных элементов в схеме, за счет применения недостаточно стабилизированного источника питания и т. п. Только создание систем автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств позволяет учесть множество основных и паразитных параметров элементов электронных узлов и надежно обеспечить при проектировании исключение самовозбуждения. В § 2.15 и в гл. 3 мы познакомимся с устройствами с ПОС, в которых самовозбуждение не является нежелательным, а, напротив, используется при создании многих важных электронных узлов.