Перейти к содержанию

ОУ с неполной коррекцией

В даташите некоторых ОУ рядом с полосой стоит примечание «стабилен при усилении от 5» или «от 10». Это не опечатка: такие усилители намеренно скорректированы не до конца и при меньшем усилении генерируют.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

ОУ с неполной коррекцией (decompensated op amp) — операционный усилитель, внутренняя частотная коррекция которого рассчитана не на единичное усиление, а на усиление не ниже некоторого значения, указанного в даташите. При меньшем усилении устойчивость не гарантирована — схема может звенеть или генерировать, при большем — устойчива и даёт больше полосы и скорости, чем полностью скорректированный ОУ того же семейства. TI описывает такие ОУ как нескорректированные версии обычно скорректированных усилителей, которые продаются как устойчивые с ограничением по минимальному усилению: пока усиление схемы выше указанного, это экономичный и безопасный режим (SLOA020A, разд. 6).

Почему это работает

ОУ общего назначения скорректирован доминирующим полюсом так, чтобы быть устойчивым даже повторителем. Это дорого: доминирующий полюс сильно режет усиление на высоких частотах (SLOA020A, разд. 5). Но с ростом усиления схемы β уменьшается, вместе с ним падает петлевое усиление, и частота, где оно равно единице, уходит вниз — туда, где фаза ещё не набрала опасного сдвига (TI SLOD006B, разд. 5.5). Значит, для схемы с большим усилением коррекцию можно сделать слабее, а освободившуюся полосу отдать пользователю: произведение усиления на полосу у декомпенсированной версии больше (наш вывод: слабее коррекция — выше доминирующий полюс).

Это то же самое, что коррекция усилением — самый простой способ сделать схему устойчивой: поднять её усиление. TI называет его лучшим, если применение допускает большее усиление, хотя точность и полоса замкнутой схемы при этом падают (SLOA020A, разд. 6).

Какое усиление считать

Ограничение относится к шумовому усилению 1 + R2/R1, а не к усилению сигнала: устойчивость определяет β, одинаковая для неинвертирующего и инвертирующего включения (SLOD006B, разд. 6.3–6.4). Поэтому ОУ «стабильный от 5» можно включить:

и нельзя — повторителем или инвертором с K = −1 (шумовое усиление 2).

Ошибки

  • Повторитель или буфер на таком ОУ. Ниже минимального усиления устойчивость не гарантирована: схема может звенеть или возбудиться. Если такой ОУ всё же нужен с малым усилением, добавляют внешнюю коррекцию, если производитель её предусмотрел.
  • Ёмкость в цепи обратной связи. Конденсатор параллельно RF на высоких частотах снижает шумовое усиление к единице — и декомпенсированный ОУ теряет устойчивость (наш вывод из определения β). Фильтровать нужно иначе, например RC-цепью после каскада.
  • Расчёт по усилению сигнала. Инвертор с K = −2 имеет шумовое усиление 3 и для ОУ «от 5» не годится.

Другие способы коррекции и их цена — в статье «Устойчивость и частотная коррекция».

Частые вопросы

Почему такой ОУ нельзя включить повторителем?

У повторителя β = 1, и петлевое усиление равно усилению самого ОУ — наибольшее из возможных. Петля пересекает единицу на самой высокой частоте, где у недокорректированного ОУ уже действуют следующие полюсы и сдвиг фазы близок к 180°. Поэтому при усилении 1 устойчивость такого ОУ не гарантирована: он может звенеть или возбудиться — именно об этом ограничение в даташите. Пример — NE5534: он скорректирован внутри для усиления не меньше 3, а для меньшего усиления даташит предусматривает внешний конденсатор коррекции между выводами COMP и COMP/BAL; переходные характеристики при единичном усилении TI снимает с CC = 22 пФ.

Считается ли ограничение по усилению сигнала или по шумовому?

По шумовому усилению 1 + R2/R1, потому что устойчивость задаёт β, а не то, куда подан сигнал. Инвертирующий каскад с усилением −4 имеет шумовое усиление 5 и устойчив так же, как неинвертирующий с усилением 5. Поэтому ОУ «от 5» можно включить инвертором с |K| = 4, но не повторителем.

Зачем такие ОУ выпускают?

Ради полосы и скорости. Полной коррекции, устойчивой при единичном усилении, нужен низкий доминирующий полюс, а он режет усиление на высоких частотах. Если схема всё равно работает с большим усилением, эту жертву можно не приносить: TI называет такие ОУ экономичным и безопасным выбором, пока усиление схемы выше указанного.

Источники

  1. Texas Instruments. Mancini R. Stability Analysis of Voltage-Feedback Op Amps Including Compensation Techniques (SLOA020A, March 2001) — разд. 6: коррекция усилением работает для инвертирующих и неинвертирующих схем, потому что петлевое усиление содержит параметры замкнутой схемы; с ростом усиления падают точность и полоса; если применение допускает большее усиление, это лучший вид коррекции; нескорректированные версии обычно скорректированных ОУ продаются как устойчивые ОУ с ограничением по минимальному усилению — при усилении схемы выше указанного это экономичный и безопасный режим; разд. 5: коррекция доминирующим полюсом даёт запас 45°, но сильно режет усиление
  2. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, Design Reference (SLOD006B), chapters 5 and 6 — разд. 5.5: рост усиления схемы уменьшает β и петлевое усиление, и схема становится устойчивее; повторитель — самое требовательное включение; разд. 6.3–6.4: устойчивость определяется петлевым усилением, одинаковым для инвертирующего и неинвертирующего включения
  3. Texas Instruments. NE5534x, SA5534x Low-Noise Operational Amplifiers (SLOS070D, revised November 2014) — разд. 8.1: внутренняя коррекция для усиления не меньше трёх, частотную характеристику оптимизируют внешним конденсатором коррекции между COMP и COMP/BAL; табл. электрических характеристик: время нарастания и выброс при AVD = 1 сняты с CC = 22 пФ (выброс 20 % при CL = 100 пФ); полоса единичного усиления 10 МГц

Нашли ошибку?

Смотрите также