Перейти к содержанию

Доминирующий полюс

Почему усиление почти любого ОУ начинает падать уже на десятках герц? Это не недостаток, а намеренная коррекция: внутри поставлен конденсатор, который создаёт один очень низкочастотный полюс — доминирующий.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Доминирующий полюс (dominant pole) — полюс передаточной функции, расположенный намного ниже остальных по частоте. Он определяет форму АЧХ почти во всей полосе: после него усиление спадает на 20 дБ на декаду, и до следующих полюсов сдвиг фазы не превышает 90°. Коррекция доминирующим полюсом — способ сделать петлю обратной связи устойчивой: намеренно поставить такой полюс, чтобы усиление упало до единицы раньше, чем остальные полюсы наберут опасный сдвиг фазы (TI SLOD006B, разд. 11).

Внутри ОУ

У ОУ без коррекции несколько полюсов близко друг к другу, и к частоте, где усиление падает до 0 дБ, набирается около 180° сдвига: такой ОУ непригоден и, вероятно, неустойчив (TI SLOA020A, разд. 5). Поэтому в ОУ общего назначения во второй каскад встраивают конденсатор коррекции CC. Он создаёт доминирующий полюс на очень низкой частоте — TI пишет, что усиление ОУ без обратной связи начинает падать уже ниже 10 Гц (SLOD006B, разд. 5.1). Если полюс поставлен правильно, следующий полюс в точке 0 дБ добавляет лишь 45°, и ОУ устойчив с запасом по фазе 45° даже как повторитель (SLOA020A, разд. 5).

Следствие — постоянное произведение усиления на полосу: после доминирующего полюса усиление, умноженное на частоту, не меняется. Пример (наш расчёт по TI SLOS075K): у NE5532 усиление 100 дБ, или 100 000, а полоса единичного усиления 12 МГц, значит, доминирующий полюс — около 12 МГц / 100 000 = 120 Гц.

Цена

Доминирующий полюс жертвует усилением: выше частоты полюса усиление без обратной связи сильно падает, и на высоких частотах петлевого усиления остаётся мало. TI пишет, что такая коррекция хорошо подходит для внутренне корректируемых ОУ, но для ОУ с внешней коррекцией применяется редко, потому что под рукой есть недорогие дискретные конденсаторы (SLOA020A, разд. 5). И в сводке способов: коррекцию доминирующим полюсом часто используют внутри микросхем, потому что её легко реализовать, а снаружи — редко, разве что нужна фильтрация, ведь она рано заваливает замкнутое усиление (разд. 10).

Для схем с большим усилением выпускают ОУ с неполной коррекцией: их доминирующий полюс выше по частоте, полоса больше, но они устойчивы только при усилении не ниже указанного.

Ёмкость нагрузки

Ёмкость нагрузки вместе с выходным сопротивлением ОУ образует ещё один полюс и обычно вызывает звон. Но TI отмечает и обратный случай: очень большая ёмкость может стабилизировать ОУ, потому что её полюс становится доминирующим, — ценой резко сузившейся полосы (SLOA020A, разд. 10). Как это выглядит на диаграмме Боде и какие ещё есть способы коррекции — в статье «Устойчивость и частотная коррекция».

Частые вопросы

Где доминирующий полюс у обычного ОУ?

Очень низко. TI пишет, что усиление ОУ без обратной связи начинает падать уже ниже 10 Гц. Для NE5532 по типичным значениям из даташита — 100 дБ и 12 МГц — полюс получается около 120 Гц (наш расчёт: 12 МГц / 100 000). Дальше усиление спадает на 20 дБ на декаду до единицы.

Почему усиление ОУ намеренно заваливают так рано?

Чтобы петля была устойчива даже при единичном усилении. У ОУ несколько полюсов, и без коррекции к частоте, где усиление падает до единицы, набирается около 180° сдвига. Доминирующий полюс опускает усиление до единицы раньше, чем подействуют остальные полюсы, и петля пересекает 0 дБ с наклоном −20 дБ/дек и запасом по фазе.

Может ли ёмкость нагрузки сама стать доминирующим полюсом?

Да, если она очень большая. Обычно ёмкость нагрузки вместе с выходным сопротивлением ОУ добавляет второй полюс и вызывает звон. Но TI отмечает, что большая ёмкость может стабилизировать ОУ: её полюс уходит так низко, что становится доминирующим. Плата — резко сузившаяся полоса схемы.

Источники

  1. Texas Instruments. Mancini R. Stability Analysis of Voltage-Feedback Op Amps Including Compensation Techniques (SLOA020A, March 2001) — разд. 5: у нескорректированного ОУ изломы близко, и до пересечения 0 дБ набирается около 180° — ОУ непригоден и, вероятно, неустойчив; правильно поставленный доминирующий полюс заваливает усиление так, что следующий полюс даёт 45° в точке 0 дБ — запас 45°, но усиление выше частоты полюса сильно падает; применяется во внутренней коррекции, снаружи редко, потому что рано заваливает усиление; ёмкостная нагрузка обычно вызывает звон, но большая ёмкость может стабилизировать ОУ, работая как доминирующий полюс
  2. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, Design Reference (SLOD006B), chapters 5 and 11 — разд. 5.1: усиление ОУ без обратной связи начинает падать ниже 10 Гц; разд. 11: конденсатор CC во втором каскаде создаёт коррекцию доминирующим полюсом — усиление спадает до единицы раньше, чем сдвиг фазы достигнет 180°; произведение усиления на полосу
  3. Texas Instruments. NE5532x, SA5532x Dual Low-Noise Operational Amplifiers (SLOS075K, revised December 2025) — с. 1: 100 В/мВ и 12 МГц — исходные данные примера

Нашли ошибку?

Смотрите также