Повышение быстродействия OУ.

Один из простейших способов расширения полосы пропускания ОУ общего применения был предложен Р. Видларом еще в 1969 году. Этот способ состоит в охвате одной из половин входного дифференциального каскада ОУ гибкой положительной обратной связью, обеспечивающей опережение по фазе в области высоких частот (как уже отмечалось, в литературе этот способ называют иногда способом подачи сигнала вперед). Схема ОУ LM101A с фазоопере-жающей связью представлена на рисунке (а), а на (б) — соответствующие частотные характеристики.

Фазоопережающая коррекция частотных характеристик ОУ общего назначения:

а — схема ОУ LM101A с фазоопережающей связью, б — частотные характеристики

Корректирующий конденсатор С₁ включен между инвертирующим входом ОУ и одним из выводов, предназначенным для подключения стандартного корректирующего конденсатора, который в данном случае не используется. Диод VD включен дополнительно для улучшения реакции усилителя при быстром нарастании входного напряжения.

Как видно из (б), применение фазоопережающей связи увеличивает частоту единичного усиления ОУ примерно в 10 раз. Скорость нарастания при этом повышается с 0,5 до 10 В/мкс (благодаря исключению стандартного корректирующего конденсатора).

Если включить в цепь обратной связи между выходом схемы и выходом ОУ делитель на резисторах R ₄ и R ₅ (см. следующий рисунок) то выходной каскад на внешних транзисторах будет усиливать напряжение с коэффициентом k» (R ₄ + R ₅) /R ₅.

ОУ с внешним каскадом усиления напряжения

ЛАЧХ ОУ с внешним каскадом усиления напряжения

Тогда максимальное выходное напряжение схемы V _OUT будет достигаться за время, необходимое для изменения выходного напряжения ОУ на величину V _OUT/ k Следовательно, скорость нарастания на нагрузке увеличивается в k раз. При этом, к сожалению, обострится проблема устойчивости, т. к. даже если взять высокочастотные внешние транзисторы, частота среза из-за увеличения петлевого усиления скорее всего окажется выше частоты, соответствующей второму полюсу передаточной функции ОУ.

Однако, если величина, обратная коэффициенту передачи звена общей обратной связи (т. е. 1/ b) окажется больше или равной k, то схема будет устойчива. В противном случае следует включить корректирующий конденсатор С. ЛАЧХ показывают, что при b < 1 малосигнальная полоса ОУ заметно увеличивается.

Допустим, что нам нужно получить широкую полосу пропускания усилителя при высоком коэффициенте усиления. С увеличением коэффициента усиления ОУ частота среза петли обратной связи, а следовательно и полоса пропускания уменьшаются. Простейший путь заключается в каскадном соединении двух однотипных усилителей (а).

Каскадное соединение ОУ:

а — схема, б — асимптотическая ЛАЧХ каскадно соединенных ОУ

На рисунке (б) штриховой линией представлена асимптотическая ЛАЧХ этих ОУ, обозначенная К _V. Если, например, требуется усиливать входной сигнал в 100 раз, то полоса пропускания усилителя на одном ОУ составит f ₁ (соответствующая ЛАЧХ обозначена – K ₁₀₀). Соединение двух усилителей, каждый из которых усиливает сигнал в 10 раз, позволит получить при том же необходимом усилении полосу пропускания на уровне 3 дБ, примерно в 7 раз больше (f ₂). ЛАЧХ для этого случая обозначена К₁₀². Смещение нуля всей схемы определяет У₁, а скорость нарастания выходного напряжения — У₂. Следовательно, правильное каскадное соединение двух разнотипных усилителей позволяет соединить достоинства обоих ОУ. Заметим, однако, что такая схема включения пары ОУ образует НЧ-фильтр второго порядка с двукратным полюсом на частоте f ₂; и создает на этой частоте фазовый сдвиг 90° между входным и выходным сигналами.

Еще лучше — охватить оба усилителя общей обратной связью, как это показано на следующем рисунке.

Широкополосный составной усилитель

В этом составном усилителе следует использовать в качестве У₁ — прецизионный ОУ, а в качестве У₂ — скоростной. Преимущество этой схемы перед предыдущей заключается в том, что разброс сопротивлений резисторов R ₃и R ₄, а также величина коэффициента усиления ОУ У₂ практически не сказываются на точности установки общего коэффициента усиления схемы, который задается отношением сопротивлений резисторов R ₁и R ₂. Общая отрицательная обратная связь обеспечивает схеме прецизионные точностные параметры, соответствующие усилителю У₁. Данная структура требует особо тщательного подхода с точки зрения обеспечения устойчивости при замыкании общей петли обратной связи и накладывает определенные условия на соотношение коэффициентов усиления и граничных частот обоих усилителей. В таблице представлены параметры составного усилителя на основе прецизионных ОРА627/637 и широкополосного ОРА603 с токовой обратной связью, имеющего частоту единичного усиления 160МГц и скорость нарастания 1000 В/мкс.

Для такой широкополосной схемы требуется особенно тщательно выполнить монтаж. В частности, необходимо обеспечить минимальную емкость монтажа точки соединения резисторов с инвертирующим входом ОРА603 и использо­вать для питания усилителей раздельные цепи с отдельными блокирующими конденсаторами.

Параметры составного усилителя с токовой обратной связью

Дата добавления: 2015-08-09