Введение
В электротехнике частотная компенсация — это техника, используемая в усилителях, и особенно в усилителях с отрицательной обратной связью. Она обычно преследует две основные цели: предотвратить нежелательное возникновение положительной обратной связи, которая может привести к автоколебаниям усилителя, и управлять перерегулированием и затуханием колебаний на переходной характеристике усилителя. Также она широко применяется для расширения полосы пропускания систем первого порядка.
Пояснение
Большинство усилителей используют отрицательную обратную связь для обмена коэффициентом усиления на другие желательные характеристики, такие как снижение искажений, улучшение подавления шумов или повышение устойчивости к изменениям параметров, таких как температура. В идеале, фазовая характеристика частотной характеристики усилителя должна быть линейной; однако, ограничения компонентов делают эту цель физически недостижимой. В частности, ёмкости в каскадах усиления вызывают отставание выходного сигнала от входного на величину до 90° на каждый создаваемый ими полюс. Если сумма этих фазовых сдвигов достигнет 180°, выходной сигнал станет противоположен входному по фазе. Подача любой части этого выходного сигнала на инвертирующий (отрицательный) вход при достаточном усилении приведет к возникновению колебаний. Это происходит потому, что сигнал обратной связи будет усиливать входной сигнал, то есть обратная связь станет положительной, а не отрицательной. Для предотвращения этого применяется частотная компенсация. Другая цель частотной компенсации – управление переходной характеристикой усилительной схемы, как показано на рисунке 1. Например, если на вход усилителя напряжения подать скачкообразное изменение напряжения, то в идеале на выходе должен произойти аналогичный скачок. Однако выходной сигнал не идеален из-за частотной характеристики усилителя, что приводит к возникновению колебаний (звона). Существует несколько параметров оценки качества переходной характеристики, которые широко используются. Один из них – время нарастания выходного сигнала, которое в идеале должно быть минимальным. Второй – время установления выходного сигнала в его конечное значение, которое также должно быть минимальным. Успешность установления в конечное значение характеризуется перерегулированием (насколько выходной сигнал превышает конечное значение) и временем затухания (как долго выходной сигнал колеблется около конечного значения). Эти различные показатели переходной характеристики обычно противоречат друг другу, что требует применения методов оптимизации. Частотная компенсация используется для оптимизации переходной характеристики, одним из методов которой является расщепление полюсов. А.
Практика
Компенсация частоты достигается путем изменения усиления и фазовых характеристик разомкнутого контура усилителя или его цепи обратной связи, или и того, и другого, чтобы предотвратить возникновение колебаний. Обычно это реализуется с помощью внутренних или внешних RC-цепей.
Другие методы
Другими методами компенсации являются: компенсация по фазе (lead compensation), компенсация по фазе и запаздыванию (lead–lag compensation) и компенсация по опережению (feed forward compensation). Компенсация по фазе. В то время как компенсация доминирующего полюса размещает или перемещает полюса в частотной характеристике разомкнутого контура, компенсация по фазе размещает ноль в частотной характеристике разомкнутого контура для подавления одного из существующих полюсов. Компенсация по фазе и запаздыванию размещает как ноль, так и полюс в частотной характеристике разомкнутого контура, при этом полюс обычно располагается в области усиления разомкнутого контура менее единицы. Компенсация по опережению (feed forward) или компенсация по Миллеру использует конденсатор для шунтирования каскада усилителя на высоких частотах, тем самым устраняя полюс, создаваемый этим каскадом. Цель этих трех методов – обеспечить большую полосу пропускания разомкнутого контура, сохраняя при этом стабильность замкнутого контура усилителя. Они часто используются для компенсации усилителей с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания.