Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В электронике , компенсации частоты является метод , используемый в усилителей , особенно в усилителях , использующих отрицательную обратную связь. Обычно он преследует две основные цели: избежать непреднамеренного создания положительной обратной связи , которая вызовет колебания усилителя , и контролировать выбросы и звон в переходной характеристике усилителя . Он также широко используется для повышения пропускной способности отдельных полюсных систем.

Объяснение [ править ]

Рисунок 1: Переходная характеристика двухполюсного усилителя для различных степеней компенсации. Параметр ζ задается компенсационным конденсатором: меньшее ζ приводит к более быстрому отклику, но большему количеству звона и выбросов.

Большинство усилителей используют отрицательную обратную связь, чтобы обменять усиление на другие желательные свойства, такие как уменьшение искажений, улучшенное шумоподавление или повышенная инвариантность к изменению параметров, таких как температура. В идеале фазовая характеристика АЧХ усилителя должна быть линейной; однако ограничения устройства делают эту цель физически недостижимой. В частности, емкости каскадов усиления усилителя приводят к отставанию выходного сигнала от входного на 90 ° для каждого создаваемого полюса . [а]Если сумма этих фазовых запаздываний достигает 360 °, выходной сигнал будет синфазным с входным сигналом. Возврат любой части этого выходного сигнала на вход, когда коэффициент усиления усилителя достаточен, вызовет колебания усилителя. Это потому, что сигнал обратной связи усиливает входной сигнал. То есть обратная связь тогда будет скорее положительной, чем отрицательной.

Частотная компенсация реализована, чтобы избежать этого результата.

Другой целью частотной компенсации является управление переходной характеристикой схемы усилителя, как показано на рисунке 1. Например, если скачок напряжения поступает на вход усилителя напряжения, в идеале может произойти скачок выходного напряжения. Однако выход не идеален из-за частотной характеристики усилителя, и возникает звон . Обычно используются несколько показателей качества для описания адекватности ступенчатой ​​характеристики. Один из них - время нарастания выходного сигнала, которое в идеале должно быть коротким. Секунда - это время, в течение которого выходной сигнал фиксируется на конечном значении, которое, опять же, должно быть коротким. Успех в достижении этой фиксации на конечном значении описывается перерегулированием (насколько ответ превышает конечное значение) и временем установления(как долго выходной сигнал колеблется вокруг своего окончательного значения). Эти различные меры ступенчатой ​​характеристики обычно конфликтуют друг с другом, что требует методов оптимизации.

Компенсация частоты реализована для оптимизации переходной характеристики, одним из методов является разделение полюсов .

Использование в операционных усилителях [ править ]

Поскольку операционные усилители широко распространены и предназначены для использования с обратной связью, последующее обсуждение будет ограничено частотной компенсацией этих устройств.

Следует ожидать, что выходы даже самых простых операционных усилителей будут иметь как минимум два полюса. Следствием этого является то, что на некоторой критической частоте фаза выхода усилителя = -180 ° по сравнению с фазой его входного сигнала. Усилитель будет колебаться, если он имеет коэффициент усиления один или несколько на этой критической частоте. Это связано с тем, что (а) обратная связь реализуется посредством использования инвертирующего входа, который добавляет дополнительные -180 ° к выходной фазе, что приводит к общему фазовому сдвигу -360 °, и (б) коэффициент усиления достаточен для возбуждения колебаний.

Более точное утверждение об этом следующее: операционный усилитель будет колебаться на частоте, на которой его коэффициент усиления разомкнутого контура равен его усилению замкнутого контура, если на этой частоте

  1. Коэффициент усиления разомкнутого контура усилителя ≥ 1 и
  2. Разница между фазой сигнала разомкнутого контура и фазовой характеристикой сети, создающей выход замкнутого контура = -180 °. Математически,
Φ OL - Φ CLnet = −180 °

Практика [ править ]

Компенсация частоты реализуется путем изменения коэффициента усиления и фазовых характеристик выхода разомкнутого контура усилителя или его цепи обратной связи, или обоих, таким образом, чтобы избежать условий, приводящих к колебаниям. Обычно это делается путем внутреннего или внешнего использования емкостных цепей сопротивления.

Компенсация доминирующего полюса [ править ]

Наиболее часто используемый метод называется компенсацией доминирующего полюса , который представляет собой форму компенсации запаздывания. Это метод внешней компенсации, который используется при относительно низком усилении замкнутого контура. Полюс, расположенный на соответствующей низкой частоте в отклике без обратной связи, снижает коэффициент усиления усилителя до единицы (0 дБ ) для частоты, находящейся на или чуть ниже местоположения следующего полюса самой высокой частоты. Полюс самой низкой частоты называется доминирующим полюсом, потому что он доминирует над действием всех полюсов более высокой частоты. В результате разница между выходной фазой разомкнутого контура и фазовой характеристикой цепи обратной связи, не имеющей реактивных элементов, никогда не падает ниже -180 °, в то время как усилитель имеет коэффициент усиления один или несколько, обеспечивая стабильность.

Компенсация доминирующего полюса может быть реализована для операционных усилителей общего назначения путем добавления интегрирующей емкости к каскаду, которая обеспечивает основную часть усиления усилителя. Этот конденсатор создает полюс, который настроен на достаточно низкую частоту, чтобы уменьшить усиление до единицы (0 дБ) на частоте или чуть ниже частоты, на которой расположен полюс, следующий по частоте. В результате получается запас по фазе ≈ 45 °, в зависимости от близости еще более высоких полюсов. [b] Этот запас достаточен для предотвращения колебаний в наиболее часто используемых конфигурациях обратной связи. Кроме того, компенсация доминирующего полюса позволяет контролировать выбросы и звон в переходной характеристике усилителя., что может быть более требовательным требованием, чем простая потребность в стабильности.

Этот метод компенсации описан ниже:

 Пусть A будет некомпенсированной передаточной функцией операционного усилителя в конфигурации с разомкнутым контуром, которая определяется выражением:
Некомпенсированная передаточная функция ОУ с разомкнутым контуром
 где A OL = коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. w 1 , w 2 , w 3 = частоты, при которых усиление снижается на -20 дБ, -40 дБ и -60 дБ соответственно.

Таким образом, для компенсации введите доминирующий полюс, добавив RC-цепь последовательно с операционным усилителем, как показано на рисунке.

Схема операционного усилителя без обратной связи с компенсацией доминирующего полюса

Передаточная функция компенсированной схемы ОУ без обратной связи определяется выражением:

TF после компенсации доминирующего полюса
 где f d <f 1 <f 2 <f 3

Компенсационная емкость C выбирается такой, чтобы f d <f 1 . Следовательно, частотная характеристика схемы операционного усилителя разомкнутого контура с компенсацией доминирующего полюса показывает равномерное спад усиления от f d и становится равным 0 при f 1, как показано на графике.

Частотная характеристика при компенсации доминирующего полюса

Преимущества компенсации доминирующего полюса: 1. Она проста и эффективна. 2. Помехозащищенность улучшена, поскольку частотные составляющие шума за пределами полосы пропускания устраняются.

Несмотря на простоту и эффективность, этот вид консервативной компенсации доминирующего полюса имеет два недостатка:

  1. Это уменьшает полосу пропускания усилителя, тем самым уменьшая доступное усиление разомкнутого контура на более высоких частотах. Это, в свою очередь, уменьшает количество обратной связи, доступной для коррекции искажений и т. Д. На более высоких частотах.
  2. Это снижает скорость нарастания напряжения усилителя . Это уменьшение является результатом времени, которое требуется конечному току, управляющему компенсируемым каскадом, для зарядки компенсирующего конденсатора. В результате усилитель не может точно воспроизводить быстро меняющиеся сигналы большой амплитуды.

Часто реализация компенсации доминирующего полюса приводит к явлению расщепления полюсов . Это приводит к тому, что полюс самой низкой частоты некомпенсированного усилителя «перемещается» на еще более низкую частоту, чтобы стать доминирующим, а полюс более высокой частоты некомпенсированного усилителя «перемещается» на более высокую частоту. Чтобы преодолеть эти недостатки, используется компенсация нуля полюса .

Другие методы [ править ]

Некоторые другие методы компенсации: компенсация опережения, компенсация опережения и запаздывания и компенсация с прямой связью.

Компенсация за свинец. В то время как компенсация доминирующего полюса помещает или перемещает полюса в отклике разомкнутого контура, компенсация опережения помещает ноль [c] в отклик разомкнутого контура, чтобы нейтрализовать один из существующих полюсов.
Компенсация опережения и запаздывания помещает как ноль, так и полюс в отклик разомкнутого контура, при этом полюс обычно имеет коэффициент усиления разомкнутого контура меньше единицы.
Компенсация с прямой связью использует конденсатор для обхода каскада усилителя на высоких частотах, тем самым устраняя полюс, создаваемый каскадом.

Целью этих трех методов является обеспечение большей полосы пропускания разомкнутого контура при сохранении стабильности замкнутого контура усилителя. Они часто используются для компенсации усилителей с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания.

Сноски [ править ]

  1. ^ В этом контексте полюс - это точка на кривой частотной характеристики, где амплитуда уменьшается на 3 дБ из-за интегрирующего сопротивления и емкостного реактивного сопротивления. В конечном счете, каждый полюс приведет к отставанию фазы на 90 °, т. Е. Выходной сигнал будет отставать от входного сигнала на 90 ° в этой точке. О математической концепции полюса см. Полюс (комплексный анализ) .
  2. ^ Доминирующий полюс вызывает сдвиг фазы примерно на -90 ° от прибл. В 10 раз больше полюсной частоты до частоты в десять раз ниже следующей более высокой полюсной позиции. Следующий, более высокий полюс, в свою очередь, добавляет еще -45 ° для частоты в своем местоположении, что в сумме составляет -135 ° (без учета еще более высоких полюсов).
  3. ^ В этом контексте ноль - это точка на кривой частотной характеристики, где амплитуда увеличивается на 3 дБ из-за разницы между сопротивлением и емкостным реактивным сопротивлением. В конечном счете, каждый ноль приведет к опережению фазы на 90 °, т. Е. Фаза выходного сигнала будет на 90 ° впереди фазы входного сигнала в этой точке. О математической концепции нуля см. Ноль (комплексный анализ) .

См. Также [ править ]

  • Расщепление полюсов
  • Сюжет Боде
  • Усилитель отрицательной обратной связи
  • Шаговый ответ