Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины

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

Диаграммы Боде, или логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики, являясь отличным аналитическим инструментом, не выглядят интуитивно понятными. В данном разделе мы воспользуемся чисто качественным рассмотрением часто встречающихся причин неустойчивости и самовозбуждения операционных усилителей (ОУ).

На рисунке 26 представлен идеальный импульсный отклик, который можно наблюдать при отсутствии задержки в цепи обратной связи. Рост выходного напряжения постепенно замедляется, поскольку сигнал обратной связи сообщает о приближении к уровню конечного напряжения.

Рис. 26. Отклик ОУ на прямоугольный импульс при различном значении задержки сигнала обратной связи

Рис. 26. Отклик ОУ на прямоугольный импульс при различном значении задержки сигнала обратной связи

Проблемы возникают, когда задержка сигнала обратной связи отлична от нуля. При наличии задержки в петле ОС усилитель обнаруживает приближение выходного напряжения к конечному значению не сразу. Вначале он реагирует гораздо резче, стремясь достичь требуемого значения на выходе – можно отметить более высокую скорость нарастания сигнала. Инвертирующий вход своевременно не получает сигнала обратной связи, который бы сообщал о приближении выхода к целевому значению. Как результат, сигнал выходного напряжения это целевое значение «проскакивает». Далее напряжение на входе меняет знак, и амплитуда на выходе начинает уменьшаться. После нескольких последовательных колебаний напряжение на выходе, наконец, устанавливается.

Небольшая задержка – и вот мы получаем перерегулирование и звон. Слишком большая задержка – и эти колебания продолжаются бесконечно, то есть происходит самовозбуждение.

Источником задержки часто является простейшая низкочастотная RC-цепь. Конечно, она не обеспечивает одинаковую задержку для всех частот, но постепенный сдвиг фаз с 0° до 90° в первом приближении создает временную задержку td = RC.

Есть два часто встречающихся случая, когда эта RC-цепь непреднамеренно проникает в схему. Первый – с емкостной нагрузкой (рисунок 27а). В качестве резистора выступает выходное сопротивление контура с разомкнутой обратной связью, а конденсатор представлен емкостью нагрузки.

Во втором случае (рисунок 27б) RC-цепь образуется за счет сопротивления обратной связи и входной емкости ОУ. Соединения на печатных платах также формируют паразитные емкости, приложенные к этому чувствительному узлу. Можно заметить, что приведенные схемы имеют идентичные контуры ОС. Единственное различие – это узел, который мы считаем выходом. С точки зрения устойчивости обе схемы могут создавать одинаковые проблемы. Эти две причины, вызывающие задержку обратной связи, часто возникают одновременно, тем самым удваивая возникающие трудности.

Рис. 27. Фазовый сдвиг (задержка сигнала ОС) появляется в двух случаях: а) при емкостной нагрузке; б) при наличии емкости на инвертирующем входе

Рис. 27. Фазовый сдвиг (задержка сигнала ОС) появляется в двух случаях: а) при емкостной нагрузке; б) при наличии емкости на инвертирующем входе

Второй случай требует дополнительного комментария. В буферной схеме с единичным усилением (G = 1) сопротивление обратной связи равно нулю, поэтому более критичной является усилительная схема с резистивной обратной связью (рисунок 28). Параллельная комбинация этих резисторов формирует полное сопротивление R в RC-цепочке.

Рис. 28. Параллельное соединение резисторов обратной связи образует эффективное сопротивление RC-цепочки

Рис. 28. Параллельное соединение резисторов обратной связи образует эффективное сопротивление RC-цепочки

Использование диаграмм Боде дает больше данных для анализа устойчивости усилителей с обратной связью. Тем не менее, наше простое и интуитивно понятное рассмотрение того, как задержка и фазовый сдвиг в цепи обратной связи влияют на устойчивость, может помочь с выявлением и решением наиболее распространенных проблем со стабильностью схем.

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. Встроенная схема компенсации токов смещения в ОУ с биполярными входами
•••

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, ...читать далее

Товары
Наименование
OPA2810IDCNR (TI)
OPA2810IDCNT (TI)
OPA189ID (TI)
OPA189IDGKR (TI)
THS3491DDAEVM (TI)
THS3491IRGTR (TI)
LPV821DBVR (TI)
INA190A2IRSWR (TI)
INA190A4IRSWR (TI)
TLV7041DCK (TI)