UKŁADY ZE SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM I ICH STABILNOŚĆ

UKŁADY ZE SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM I ICH STABILNOŚĆ Rwy PORTRIGHT-R R_1 1*U_2 PORTRIGHT-R PORTRIGHT-L Cwy - R_2 gm1*Uwer gm2*U_1 C_1 + Rwer C_2 1.  Na rysunku 1 przedstawiono liniowy schemat zastępczy typowego trójstopniowego wzmacniacza operacyjnego. Składa się on z dwu stopni transkonduktancyjnych i wyjściowego bufora (wtórnika). Załóżmy, że poszczególne wartości wynoszą: §  Rwer=1MΩ, gm1= 5mS, R_1=15kΩ C_1=100pF §  gm2=40mS R_2=32kΩ C_2=5pF §  Rwy=100Ω Cwy=160pF Zapisz topologię schematu zastępczego (najwygodniejsza dla późniejszego wykorzystania będzie postać podobwodu) a następnie przesymuluj charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza. Spróbuj wyznaczyć w sposób przybliżony położenie biegunów charakterystyki. Przeznaczeniem wzmacniacza operacyjnego jest praca z układem zewnętrznego sprzężenia zwrotnego. Zakładając,  że wzmacniacz będzie pracował w układzie nieodwracającym (rys. 2) określ związek pomiędzy transmitancją sprzężenia  β  a rezystancjami R1 oraz R2. R2 + - OUT PORTRIGHT-L R1 PORTRIGHT-R Ponieważ w tym wypadku tor sprzężenia zwrotnego nie wnosi do charakterystyki stosunku zwrotnego (k β) nic poza skalowaniem - badanie stabilności układu z zamkniętą pętlą można przeprowadzić na podstawie analizy odpowiednio przeskalowanych charakterystyk samego wzmacniacza. §  narysuj wykres Nyquista napięcia wyjściowego, oraz napięcia wyjściowego pomnożonego przez różne liczby mniejsze od jedności. Jakie jest położenie wykresu w stosunku do punktu krytycznego (-1,j0) dla różnych mnożników? §  przebadaj zależność wskaźników stabilności od β. Wyznacz dla jakich β margines fazy wynosi odpowiednio 5, 10, 20, 30, 45 i 60 stopni. WSKAZÓWKA: dodaj dodatkowe  źródło sterowane lub wprost sparametryzuj wzmocnienie bufora wyjściowego i wykorzystaj Performance Analysis w PROBE. §  zakładając R2=100kΩ dobierz R1 tak aby uzyskać  β odpowiadające powyższym marginesom fazy. Zasymuluj charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy z zamkniętą pętlą. §  wybierz także R2 takie, aby układ był niestabilny. Zasymuluj charakterystykę częstotliwościową takiego wzmacniacza. Czy charakterystyka częstotliwościowa (po zamknięciu pętli) układu stabilnego i niestabilnego różnią się jakościowo? Zastanów się czy dla układu niestabilnego dałoby się fizycznie zmierzyć taką charakterystykę (np. za pomocą wobuloskopu?) §  zbadaj odpowiedź w dziedzinie czasu np. na niewielki skok jednostkowy dla układów z zamkniętą pętlą s.z. Pamiętaj, że musisz odpowiednio dobrać krok analizy TRAN. Wybranie zbyt dużego kroku całkowania może spowodować, że SPICE „zgubi” efekt wzbudzania (jak można na podstawie ch-k częstotliwościowych przewidywać

(…)

… i bloku
sprzężenia zwrotnego zachowując funkcjonalność tego pierwszego. Widać to na
przykładzie wzmacniacza tranzystorowego ze sprzężeniem kolektorowym (rys.3) , gdzie
otwarcie pętli nie pozbawia wprawdzie tranzystora zasilania – ale ewidentnie zmienia jego
punkt pracy (a zatem gm i co za tym idzie wzmocnienie wzmacniacza bez sprzężenia). Jak
zatem radzić sobie w takich przypadkach? Zauważmy, że sprzężenie zwrotne działa tu w
szerokim zakresie częstotliwości począwszy od składowej stałej (taki jest zresztą sens
jego stosowania – dla uniezależnienia punktu pracy od zmian własności elementu
aktywnego, czy to czasowych czy też termicznych) a w praktyce sprzężenie to blokuje się
dla wyższych częstotliwości. Potraktujmy jednak to jako przykład swoistego „triku” i
zasady postępowania i „ćwiczebnie…
… za pomocą programu SPICE parametry wzmacniacza głównego.
UWAGA: problem w tym, że małosygnałowy schemat wzmacniacza głównego nie zawiera
zasilania (przypomnij sobie zasady tworzenia zastępczego schematu małosygnałowego
oraz zasadę superpozycji!). Rozwiązania są dwa: albo zapisać “ręcznie” małosygnałowy
schemat zastępczy biorąc parametry modelu hybryd-π (na podstawie analizy .OP
wyjściowego układu…
... zobacz całą notatkę