Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?

1 марта

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Компенсированные усилители являются устойчивыми в схемах с коэффициентом усиления, равным единице и больше. Но ведь – не меньше единицы?, А что тогда делать со схемами, подобными той, что изображена на рисунке 43?

Рис. 43. Пример инвертирующего аттенюатора

Рис. 43. Пример инвертирующего аттенюатора

Если говорить коротко, данный инвертирующий аттенюатор стабилен! Вы хотите знать, почему? Есть несколько способов прояснить ситуацию, и объяснение «на пальцах» может внести дополнительную ясность в общую картину проблем с устойчивостью.

Рассмотрим пример. Если при G = -0,1 схема была бы неустойчивой, то при более низком коэффициенте усиления все было бы еще хуже, не так ли? Рассмотрим схему с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи, показанную на рисунке 44. Теперь предположим наличие тока утечки по поверхности печатной платы, для чего добавим входной резистор R1 = 10 ГОм. Этот паразитный входной сигнал инвертируется и усиливается с очень малым коэффициентом усиления. Схема будет неустойчивой? Конечно, нет! Это по-прежнему всего лишь буфер с единичным усилением, с заземленным входом. Итак, схема устойчива.

Рис. 44. Схема с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи является устойчивой

Рис. 44. Схема с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи является устойчивой

Представьте, что устойчивость операционного усилителя зависит от того, какая часть выходного сигнала попадает обратно на инвертирующий вход. Эксперты по устойчивости используют для этого коэффициент обратной связи β. При единичном усилении 100% выходного напряжения возвращается на инвертирующий вход, поэтому β равно единице. Пример на рисунке 44, по существу, также имеет значение β, близкое к единице, так как почти весь выходной сигнал подается обратно на инвертирующий вход.

На рисунке 45а показан инвертирующий усилитель, а на рисунке 45б – неинвертирующий. Цепи обратной связи для них одинаковы, только входной сигнал подается на разные входы. Обе схемы возвращают равную часть выходного сигнала на инвертирующий вход, поэтому запас устойчивости для них одинаков. Значение β то же самое.

Рис. 45. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители имеют одинаковый коэффициент обратной связи и равный запас устойчивости, но входной сигнал подается на разные входы

Рис. 45. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители имеют одинаковый коэффициент обратной связи и равный запас устойчивости, но входной сигнал подается на разные входы

Для ОУ также используют термин «коэффициент усиления шума» (noise gain) – значение коэффициента, с которым шум напряжения питания ОУ усиливается и подается на выход. Это еще один способ количественно оценить возникающую обратную связь. Схема усилителя, подверженная колебаниям или нестабильности, дополнительно возбуждается собственным внутренним шумом, который усиливается и подается обратно на инвертирующий вход. Инвертирующий усилитель, изображенный на рисунке 45а, имеет такой же коэффициент усиления шума и значение β, что и его неинвертирующий аналог, а значит, запас устойчивости у них будет одинаковым, хотя коэффициент усиления входного сигнала для них разный.

Существуют ли схемы с коэффициентом усиления шума меньше единицы? Может ли β быть больше единицы? Это возможно, когда коэффициент усиления включен в цепь обратной связи. Данная проблема может возникать в многокаскадных схемах с более крупным контуром обратной связи, например, в системах управления. Это также происходит, когда транзистор (в схеме с общим эмиттером или общим истоком) включается в цепь обратной связи ОУ. Эти схемы могут иметь большие проблемы с устойчивостью.

Конечно, существуют другие возможные причины неустойчивости инвертирующего усилителя. Емкостная нагрузка, чрезмерно высокие значения сопротивлений или слишком большая емкость на инвертирующем входе могут вызвать нестабильность, но это не связано с инвертирующей конфигурацией. Тем не менее, заблуждения об опасностях инвертирующей схемы по-прежнему сохраняются. Пусть они не заботят вас. Промоделируйте свою схему в среде TINA-TI или в другой программе SPICE-моделирования, чтобы развеять все опасения. Если же у вас остаются сомнения или нерешенные проблемы, обратитесь к экспертам на инженерных форумах.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
  8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
  9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
  10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
  13. Приручаем нестабильный ОУ
  14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
  15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
  16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
  17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
ADS1114IDGST (TI)
ADS1115IRUGR (TI)
ADS1112IDGST (TI)
ADS1100A0IDBVT (TI)
ADS1115IRUGT (TI)
ADS1118IDGST (TI)
ADS1115IDGST (TI)
ADS1602IPFBT (TI)
ADS1601IPFBRG4 (TI)
ADS1602EVM (TI)
ADS1602IPFBTG4 (TI)
ADS1605IPAPRG4 (TI)
ADS1606EVM (TI)
ADS1606IPAPTG4 (TI)
ADS8320EB/250 (TI)
ADS8319IBDGST (TI)
ADS8321EB/250 (TI)
ADS8325IBDGKT (TI)
ADS8341E (TI)
ADS8320E/250 (TI)