Wydział Transportu kierunek elektrotechnika grupa ANP

Pytanie: Omówić warunki stabilnej pracy wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym, scharakteryzować metody kompensacji częstotliwościowej.

STABILNOŚĆ PRACY WZMACNIACZA OPERACYJNEGO

Wzmacniacze operacyjne pracują zwykle z silnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym, które poprawia niektóre właściwości układu, lecz jednocześnie powoduje niebezpieczeństwo powstania niestabilności. Układ sprzężenia zwrotnego ma najczęściej charakter rezystywny, jednak wpływ pojemności wewnętrznych powoduje, szczególnie w zakresie dużych częstotliwości, powstanie zmian przesunięcia fazowego, które mogą zmienić charakter sprzężenia zwrotnego na dodatnie i wywołać wzrost wzmocnienia nawet do nieskończoności. Układ wzmacniacza staje się wtedy niestabilny, generuje drgania inicjowane szumami i przechodzi na przemian z jednego stanu nasycenia do drugiego.

Niestabilność układu powstaje, gdy wartość stosunku zwrotnego (czyli wzmocnienia układu w pętli otwartej) jest równa: T(jco) = Au(jco) • p(jco) = -l, co oznacza, że iloczyn modułów wzmocnienia z otwartą pętlą Au oraz transmitancji obwodu sprzężenia zwrotnego jest równy l.

Przy analizie stabilności wygodne jest korzystanie z charakterystyk Bodego. Do określania warunków stabilności służą wykresy stosunku zwrotnego | T(jco) |.

Najprostsze kryterium stabilności sprowadza się do warunku o)o<c0p, co oznacza, że:

1. Przy wartości modułu stosunku zwrotnego | T(jco) | jest równej O dB przesunięcie fazy musi przyjmować wartość, która jest mniej ujemna niż - 180 stopni o pewien margines fazy: Oni ⁼⁼ arg[Au(jo))-p(jco)]+l 80.

2. Przy przesunięciu fazowym - 180 stopni moduł stosunku zwrotnego musi być mniejszy od O dB o wartość Am zwaną marginesem wzmocnienia: Am = -201g | Au(jco)-p(j(i») .

Wartości marginesów Oni i Am pozwalają ocenić stabilność układu wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym. Wzmacniacze liniowe o dobrej stabilności wymagają marginesu fazy nie mniejszego niż 45 stopni. Wynika z tego, że przesunięcie fazy przy wzmocnieniu układu w pętli otwartej o równym O dB powinna wynosić około - 135 stopni. Uzyskuje się wtedy płaską

charakterystykę częstotliwościową i bezoscylacyjną odpowiedź impulsową układu bez obawy powstania niestabilności.

Szczególnie krytyczne warunki powstają w układzie wtórnika napięciowego, p = l, co odpowiada O dB. Należy sprawdzić, jaka wartość kąta przesunięcia fazowego odpowiadająca jest Au = O dB. Jeżeli jest mniej ujemna niż - 180 stopni, to układ jest stabilny.

WYKRESY BODEGO MODUŁU I PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO SKOKU ZWROTNEGO T(j(o):

KOMPENSACJA CHARAKTERYSTYK CZĘSTOTLIWOŚCIOWYCH

W większości wzmacniaczy operacyjnych w układach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym konieczna jest modyfikacja charakterystyk częstotliwościowych, zapewniająca stabilność układu w określonych warunkach pracy.

Najważniejsze sposoby kompensacji charakterystyk częstotliwościowych można podzielić na trzy grupy:

1. Kompensacja przez zmianę transmitancji p obwodu sprzężenia zwrotnego,

2. Kompensacja przez zmianę impedancji wejściowej wzmacniacza z otwartą pętlą,

3. Kompensacja funkcji przenoszenia wzmacniacza z otwartą pętlą.

KOMPENSACJA PRZEZ ZMIANĘ TRANSMITANCJI p OBWUUU SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO:

Możliwe jest uzyskanie dobrej stabilności przez zastosowanie elementów reaktancyjnych w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego i ukształtowanie charakterystyki l/PCJco) w taki sposób, aby jej nachylenie w stosunku do charakterystyki Au(jco) | było w punkcie przecięcia mniejsze od 40 dB na dekadę. Jeśli przecięcie obu wykresów następuje w obszarze, gdzie charakterystyka Au(j(o) ma nachylenie 40 dB na dekadę lub mniejsze, to można uzyskać wystarczający margines stabilności przez zastosowanie w sprzężeniu zwrotnym obwodu dolnoprzepustowego o transmitancji:

p=po/(l+jco/rap)

po - transmitancja w zakresie małej częstotliwości,

cop - pulsacja, przy której następuje załamanie charakterystyki transmitancji,

a) zależność modułu wzmocnienia z otwartą, pętlą | Au(jo) oraz wielkości l/p(j(o) | w funkcji co,

b) układ kompensacji o dwubiegowej funkcji p.

a) b)

KOMPENSACJA PRZEZ IMPEDANCJI WEJŚCIOWEJ WZMACNIACZA Z OTWARTĄ PĘTLĄ:

Polega na tym, że między końcówki wejściowe wzmacniacza, a więc równoległe do jego impedancji wejściowej włącza się obwód kompensacyjny (szeregowy RC). Zaletą jest to, że nie powoduje pogorszenia maksymalnej szybkości zmian napięcia wyjściowego.

---