Рис. 3.6. Схема УНЧ с однополярным питанием

НИЗКОЙ частоты (рис. 3.6) операционный усилитель, кроме усиления сигнала, выполняет одновременно функции, аналогичные функциям ОУ в схеме на рис. 3.5.

Операционный усилитель позволяет практически полностью устранить пульсации на выходе источника питания, как это сделано, например, в устройстве, описанном в [22].

3.4. Обеспечение устойчивости цепи коррекции

Прежде чем решать вопрос о выборе элементов цепи коррек-ции^ необходимо определить, нужны ли они вообще. Для этого необходимо располагать логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ) и фазовой характеристикой ОУ (рис. 3.7). Обычно ЛАХ ОУ известна, а фазовая характеристика может быть построена по известной ЛАХ, так как типовые схемы ОУ являются минимально-фазовыми цепями.

Пусть с помощью ОУ, характеристики которого приведены на рис. 3.7, необходимо построить масштабный усилитель с Kyu - = 50 дБ. Затем на графике ЛАХ проводим прямую /, соответствующую 50 дБ. В этом случае цепи коррекции не нужны, так как точка, в которой ф=180° (точка А на рис. 3.7), оказалась ниже прямой 1. Это означает, что на частоте /а, когда обратная связь из отрицательной превращается в положительную (ф=180°), усиление по петле меньше 1 (О дБ), поэтому генерация не возникает. В данном примере усиление по петле (Куи,-yUp) на частоте /л будет 30-50 дБ.

Рассмотрим второй пример. Пусть требуется построить масштабный усилитель с Kyuv =10 дБ, что соответствует прямой 2 на рис. 3.7. Глубина обратной связи в этом случае должна быть 70 дБ. Однако такой усилитель seJig/o будет генерировать, так как точка А оказывается выше прямой 2. Это означает, что на частоте /л, -где ф=180°, усиление по петле w больше 1. Следует заметить, что if* для более точной оценки устойчивости следует учитывать запас по фазе и другие факторы. Таким образом, можно сделать вывод: чем меньшее мы хотим получить усиление с обратной связью, тем менее устойчивым будет усилитель.

W

45 90 №

т

Рис 3.7. К определению необходимости подключения цепей' коррекции

Однако если иметь в виду конструктивную паразитную положительную обратную связь, то в любом усилителе большее усиление будет обусловливать меньшую устойчивость. Так, обеспечить устойчивую работу без обратной связи ОУ К153УД1, усиление которого достигает 10, практически невозможно из-за паразитной связи между выходными и входными цепями. На практике чаще других применяются следующие виды частотной коррекции: шунтирующие RC-nem, увеличение емкости, обусловленной эффектом Миллера, создание положительного фазового сдвига.

Включение корректирующих цепей может иметь и нежелательные последствия: уменьшение максимально возможной глубины обратной связи и скорости нарастания выходного сигнала, сужение полосы пропускания, увеличение шумов и конструктивные неудобства.

При выборе корректирующих цепей следует учитывать эти факторы.

Корректирующие цепи ОУ типов К140УД1, К140УД2 и К153УД1. Самым простым способом частотной коррекции усилителя К140УД1 является подключение конденсатора большой емкости на выход ОУ. В этом случае ЛАХ будет определяться единственной iRC-цепью, поэтому в этом случае запас по фазе составляет 90 . Тот же результат даст подключение конденсатора, но меньшей емкости, к выводу 3. На рис. 3.8 показаны ЛАХ ОУ К140УД1 с конденсатором емкостью 0,1 мкФ, подключенным к выводу 3.

Спады характеристик при различных KUp повторяют спад ЛАХ без обратной связи. Данный метод можно применять для построения УПТ или УНЧ,

60 40

W* Гц

Рис. 3.8. ЛАХ решающих усилителей на ОУ К140УД1 при подключении конденсатора емкостью 0,1 мкФ к выводу 3

при этом обеспечивается хорошая стабильность и уменьшение высокочастотных составляющих шумов.

Для расширения полосы частот вместо конденсатора следует к выводу 3 подключить последовательную цепочку из резистора l?к и конденсатора Ск. В этом случае спад ЛАХ начинается не с нулевой частоты, а с некоторой более высокой частоты полюса. Для этого случая справедливы следующие эмпирические формулы:

/? = 20(l-fi?o ?i).OM; (3.5)

0,01

С„=---, мкФ, (3.6)

где и - сопротивления обратной связи масштабного усилителя.

Усилитель оказывается более широкополосным, если подключать последовательную ?С-цепь к выводу 12. В этом случае рекомендуемые сопротивления Rx и емкости Ск указаны ниже.

Kyup, дБ О 20 40 54

Ом 75-120 320 620 1000

С„, пФ 1000 510 100 100

При использовании ОУ К140УД1 возможна компенсация на опережение по фазе. Для этого к выводам 2 к 3 подключается конденсатор С2з=50-70 пФ. Второй полюс ЛАХ сдвигается вправо, а полоса пропускания расширяется примерно в 4 раза. Тем не менее при усилении каскада с обратной связью менее 30 дБ такой коррекции недостаточно для обеспечения устойчивости и требуется создать отставание по фазе. Коррекция с помощью конденсатора применяется для получения наиболее широкополосных усилителей, поэтому дополнительную цепь коррекции выгодно ставить на входе. В этом случае скорость нарастания выходного сигнала не ухудшится. С учетом обеих цепей коррекции (рис. 3.9а) можно обеспечить максимальное синусоидальное напряжение с частотой 500 кГц.

60 40 20

Рис. 3.9. Подключение цепей коррекции на опережение по фазе к ОУ К140УД1 (а) и ЛАХ решающих усилителей на ОУ К140УД1 с коррекцией на опережение по фазе при С2з=50 пФ и i?o=10 кОм (б)

/ W 100мщ

Логарифмические амплитудные характеристики усилителя с коррекцией на опережение по фазе с помощью С2з=50 пФ при i/?o=IO кОм показаны на рис. 3.96.

Характеристики на рис. 3.96 справедливы при активных сопротивлениях нагрузки и источника сигнала. Если нагрузка носит емкостный характер (50- 100 пФ), то следует уменьшать сопротивление J?k2 и увеличивать емкость Скг-

Следует заметить, что цепи коррекции, включаемые на вход усилителя, ухудшают шумовые свойства каскада, так как эти элементы, не влияя на уровень шума, уменьшают уровень сигнала на входе.

Пример подключения цепей коррекции к усилителю К140УВ2 показан на рис. 3.10а, спецификация элементов в табл. 3.1 и соответствующие частотные характеристики - на рис. 3.1 Об.

На рис. 3.11а показана рекомендуемая схема включения цепей коррекции ОУ К153УД1.

-П,6В

Рис. 3.10. Решающий усилитель на ОУ К140УД2 и его цепи коррекции (а); ЛАХ решающего усилителя на ОУ К140УД2 (б)