Частотный критерий устойчивости усилителя с обратной связью. Запасы устойчивости по амплитуде и по фазе

 

Об устойчивости усилителя можно судить по частотным и фазовым характеристикам петлевого усиления (рис. 2.3). Усилитель устойчив, если на частотах среза петлевого усиления и (где или дополнительный фазовый сдвиг в петле не превышает 180 электрических градусов. Напомним, что на средних частотах фазовый сдвиг в петле при ООС равен 180 эл. град. (при этом = 0).

 

В практических схемах необходимо обеспечить запас устойчивости по фазе не ниже 45 эл. град. При этом подъем на частотах возможной генерации и (см. рис. 2.2) не превышает 3 дБ.

На тех частотах, где дополнительный фазовый сдвиг в петле равен радиан (180 эл. град.) и ООС превращается в ПОС, петлевое усиление должно упасть до величины, меньшей единицы (Т < 0 дБ). Тогда самовозбуждения усилителя не произойдет.

Дополнительные фазовые сдвиги на верхних частотах возникают за счет постоянных времени транзисторов, на нижних частотах – за счет разделительных и блокировочных конденсаторов.

Для повышения устойчивости усилителя необходимо стремиться к тому, чтобы область частот, в которой проявляются искажения, вносимые какой-либо одной цепью, по возможности была удалена от тех областей частот, в которых проявляются искажения, вносимые другими цепями. Иначе говоря, необходимо разносить по величине постоянные времени, характеризующие искажения за счет каждой цепи. Если в усилителе одна из цепей приводит к искажениям, т.е. к уменьшению усиления, значительно раньше, чем остальные цепи, внося дополнительный фазовый сдвиг в петле 90 эл. град., то такой же дополнительный фазовый сдвиг за счет других цепей вносится на частоте, где петлевое усиление уже упало ниже единицы и усилитель не самовозбуждается.

До сих пор рассматривались обратные связи, создаваемые в усилителях специально. Но в усилителе могут быть и паразитные ОС, которые возникают в усилителе самопроизвольно и существенно ухудшают его работу.

Существует несколько видов паразитных обратных связей:

а) паразитная связь между каскадами через цепи питания. Такая связь обычно имеется в многокаскадном усилителе, питающемся от одного источника питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания заметное падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усиления, образуя нежелательные паразитные ОС. Для устранения такого вида ОС применяют развязывающие RC -фильтры, как при сглаживании пульсаций напряжения в выпрямителе;

б) емкостные и индуктивные ОС возникают из-за нерационального монтажа, когда в многокаскадном усилителе выходные цепи усилителя расположены вблизи его входных цепей, что приводит к появлению заметной емкости и взаимной индуктивности между элементами входной и выходной цепей. Такие виды ОС устраняют рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя.