Аналітично ці умови можна записати в такому вигляді:
баланс фаз : T n 360, n 0,1,...
баланс амплітуд : K 1.
Введення від’ємного ОЗ знижує коефіцієнт підсилення в межах діапазону підсилюваних частот, проте досить часто на межі цього діапазону або за його межами створюються умови, коли ОЗ стає додатним. Для частот 1, 2 ОЗ є нейтральним, оскільки при цих частотах коефіцієнт підсилення до і після введення ОЗ не змінюється. Нижче 1 та вище 2 від’ємний ОЗ стає додатним, а отже, збільшує коефіцієнт підсилення. Саме в області цих частот може виникнути ситуація виконання умов самозбудження.
Рис.4.1
Серед критеріїв стійкості найбільш широкого розповсюдження набув критерій Найквіста. Згідно з цим критерієм, підсилювач, стійкий без ланки ОЗ, зберігає свою стійкість і при введенні ОЗ, якщо годограф вектора петлевого підсилення не охоплює точку (-1,0). У загальному випадку петльове підсилення T є комплексною величиною, яка змінюється при зміні частоти. Під годографом вектора петльового підсилення розуміється крива, окреслена вектором петльового підсилення в комплексній площині з координатами Re T, Im T при зміні частоти від 0 до .
Система надійно зберігає стійкість (абсолютно стійка), якщо є певний запас
стійкості за балансом фаз та балансом амплітуд. Якщо вважати, що підсилювач є інвертуючим в усьому спектрі частот, то стійкість може бути ще невтрачена за умови балансу фаз, якщо
ОЗ 180 З ,
де З – кут запасу стійкості.
На один каскад вимагається кут запасу стійкості З = 10 , при n - каскадах З = 10 n, де n – ціле число каскадів.
Запас стійкості за умови балансу амплітуд виражається як x 20 lgT;де Т – петльове підсилення на частоті, при якій сумарний зсув фаз ланки ОЗ та підсилювача дорівнює нулю. Величина x на один каскад дорівнює 3дб.
Стійкість підсилювачів можна оцінити, користуючись логарифмічними АЧХ та ФЧХ критерій Боде. Наприклад, для однокаскадного підсилювача низької частоти на частоті вищій частоти зрізу, загалом темп зниження петльового підсилення складає приблизно 20 дб на декаду, і характер зміни є практично лінійним в логарифмічній системі координат.
Рис.4.3
Максимальний зсув фази, який забезпечується однокаскадним підсилювачем, не перевищує 90 . Отже, до критичної точки балансу фаз із урахуванням запасу стійкості по фазі ми не доходимо на 80 . У той же час за умови балансу амплітуд є дві критичні точки fкр1, fкр2. Загалом випадку годограф вектора має вигляд (рис.4.4.
в).
У випадку двокаскадного підсилювача темп пониження петлевого підсилення складає 40 дб/декаду, а сумарний зсув фаз 180 (рис.4.4. а, б).
Рис.4.4
Для випадку трикаскадного підсилювача швидкість зміни петльового підсилювача в області високих частот складає 60 дб/декаду. При цьому коефіцієнт
запасу за модулем повинен складати 9 дб, а за фазовим кутом 30 .
Рис.4.5
Сумарний зсув фази трикаскадного підсилювача досягає 270 , при цьому критичні частоти петльового підсилення fкр1, fкр2 при заданих величинах петльового підсилення знаходяться в області частот, де сумарний зсув фази перевищує 180 . Точка для збереження стійкості необхідна, щоб зсув фази не перевищував 150 . Дана система називається абсолютно нестійкою, отже, практично при всіх величинах Т , схема буде знаходитись у режимі автоколивань.
Двокаскадний підсилювач слід віднести до умовно стійкої системи, а однокаскадний до абсолютно стійкої системи.
Таким чином, загальний ОЗ, підвищуючи стабільність коефіцієнт підсилення, погіршує стійкість схеми.
§ 5. Операційні підсилювачі. Загальні відомості
Перші операційні підсилювачі (ОП) з’явилися приблизно 40 – 45 років тому й були реалізовані на електронних лампах. Мікроелектроніка дозволила значно розширити використання ОП, оскільки їх маса, габарити, вартість та надійність є співрозмірними із звичайними дискретними транзисторами. Сама назва ОП обумовлена тою обставиною, що, вводячи ті чи інші обернені зв’язки, ми можемо забезпечувати виконання основних математичних операцій (множення, ділення, додавання, віднімання, інтегрування, диференціювання, логарифмування). Саме завдяки цим властивостям у свій час були розроблені й використовувались аналогові обчислювальні машини.
Операційні підсилювачі можуть класифікуватись за такими ознаками :
Схемотехнічна реалізація (одновходові та двовходові ОП);
Параметри;
Призначення;
У випадку одноходової схемотехнічній реалізації підсилювач обов’язково інвертуючий. У випадку двоходової реалізації один із входів інвертуючий, а другий – неінвертуючий. Отже, на вході такого ОП використовується диференційний підсилювач. Узагальнена структурна схема такого ОП матиме вигляд :
Рис.5.1
Функція диференційного підсилювача – порівняння двох сигналів. Функція проміжних каскадів (ПК) – забезпечення заданої величини KU, перехід від диференційного сигналу до однофазного й забезпечення міжкаскадного зниження потенціалів. Значна величина коефіцієнта підсилення досягається шляхом використання підсилювальних каскадів із динамічним навантаженням. Функція вихідного каскаду (ВК), як правило, реалізується за двотактними безтрансформаторними схемами. Транзистори при цьому працюють у режимах
B, AB. Використання режиму А енергетично невигідне. Забезпечення нульової вихідної напруги при нульовій вхідній вимагає використання двополярного джерела живлення. Свого часу були розроблені ОП, побудовані за принципом перетворення сигналу, тобто вхідний сигнал перетворюється на змінний (блок М) (рис.5.2), підсилюється бездрейфовим підсилювачем змінного струму (ПП) і на виході де модулюється (ДМ).
Рис.5.2
Диференційні підсилювачі реалізуються на біполярних транзисторах, польових транзисторах та супер- – транзисторах.
До основних параметрів підсилювача слід віднести :
1) коефіцієнт підсилення за напругою. ( 104 106 );
Напругу зміщення ( 20 мВ);
3) нестабільність напруги зміщення ( 60 мкВ/ C);
Вхідний струм ( 9 мкА);
Різницю вхідного струму між окремими входами ( 1,5 мкА);
6) нестабільність величини вхідного струму від температури ( 20нА/ C);
Граничну робочу частоту (100 кГц);
Порядок величини вихідного опору (0,1 0,2 кОм);
