2.2. Вплив оберненого зв’язку на електричні властивості підсилювача

2.2.1. Вплив різних типів оберненого зв’язку на коефіцієнт підсилення за напругою

а) Випадок послідовного від’ємного ОЗ за напругою

Рис. 25. Послідовний від’ємний ОЗ за напругою

Коефіцієнт передачі за напругою пристрою, розміщеного всередині пунктирного прямокутника, згідно з визначенням, становить:

.

Для від’ємного ОЗ , отже, .

Тому

.

Ввівши позначення U_оз /U_вих = β, U_вих/ U_вх = K_U, отримаємо:

.

Введення послідовного від’ємного ОЗ за напругою, як видно з отриманого виразу, зменшує коефіцієнт підсилення підсилювача. Якщо величина (глибокий ОЗ), підсилення становитиме . Отже, у випадку глибокого ОЗ параметри підсилювача практично не залежать від власних параметрів підсилювача, а визначаються параметрами ланки ОЗ.

б) Випадок послідовного додатного ОЗ за напругою

Рис. 26. Послідовний додатний ОЗ за напругою

При послідовному додатному ОЗ за напругою (рис. 26) справедливі такі співвідношення між напругами на вході підсилювача:

.

При цьому

.

Отже, .

Як видно, , тобто додатний оберненений зв’язок збільшує підсилення. Якщо βК_U , то K_Uоз . Фізично це означає, що підсилювач перейде від режиму підсилення до режиму генерування електричних коливань. На рис. 27 наведена схема, в якій можуть виникнути електричні коливання за рахунок додатного оберненого зв’язку, реалізованого акустичним шляхом.

Рис. 27. Схема можливої реалізації додатного ОЗ акустичним шляхом

Розглянемо випадки додатного ОЗ при лінійних амплітудних характеристиках підсилювача та ланки ОЗ і умові, що βК_U (рис. 28)

Рис. 28. Амплітудні характеристики підсилювача

з додатним ОЗ для випадку βК_U

Приймемо, що на вхід підсилювача (рис. 28) подано імпульсний сигнал напругою U_вх3. Сигнал буде переданий підсилювачем на вихід і дасть U_вих3. Ланкою ОЗ цей сигнал з коефіцієнтом передачі  подається на вхід підсилювача і дає U_вх2. У свою чергу, підсилювач формує U_вих2 і т.д. Бачимо, що кожний наступний цикл передачі сигналу супроводжується зменшенням його амплітуди.

Для випадку βК_U і додатного ОЗ побудуємо амплітудні характеристики підсилювача та ланки ОЗ ( рис. 29).

У даному випадку кожен цикл проходження сигналу послідовно через підсилювач, а потім ланку ОЗ супроводжується зростанням амплітуди. Причому зростання амплітуди вихідного сигналу буде продовжуватись до безмежності. Враховуючи реальну амплітудну характеристику підсилювача, ми отримаємо точку перетину цієї характеристики з амплітудною характеристикою ланки ОЗ. У точці перетину цих характеристик (рис. 30).

Рис. 29. Амплітудні характеристики підсилювача з додатним ОЗ

для випадку βК_U

Рис. 30. Динаміка зміни амплітуди імпульсного сигналу при нелінійності амплітудної характеристики підсилювача

Якщо напруга на вході підсилювача дорівнює напрузі U_вх0, то в такому підсилювачі будуть підтримуватись коливання фіксованої амплітуди U_вих0. У випадку, коли амплітудні характеристики ланки ОЗ та підсилювача збігаються, підсилювачем буде підтримуватись така амплітуда сигналу, яка відповідає напрузі на вході підсилювача, що була подана або виникла з тієї чи іншої причини (рис. 31).

Рис. 31. Динаміка зміни амплітуди імпульсного сигналу

при

Цей випадок відповідає режиму збереження інформації, тобто це приклад елемента пам’яті аналогового сигналу.

в) Випадок паралельного від’ємного ОЗ за напругою

Рис. 32. Паралельний від’ємний ОЗ за напругою

За законом паралельного з’єднання елементів, усі три напруги повинні бути рівні між собою: . Тому

.

Отже, паралельний від’ємний ОЗ за напругою не змінює коефіцієнт підсилення підсилювача. При такому різновиді ОЗ відбувається зміна наскрізного коефіцієнта підсилення. Під наскрізним коефіцієнтом підсилення розуміють коефіцієнт підсилення ЕРС джерела сигналу.

Рис. 33. Еквівалентна схема підсилювача з урахуванням внутрішнього опору джерела підсилюваного сигналу

Існує зв’язок між наскрізним і звичайним коефіцієнтами підсилення. Із наведеної схеми (рис. 33) видно, що величина напруги на вході підсилювача буде визначатися так:

, звідки .

Підставивши це значення Е_д у формулу для наскрізного коефіцієнта підсилення, отримаємо:

.

Якщо вхідний опір підсилювача значно більший за внутрішній опір джерела підсилюваного сигналу, то наскрізний коефіцієнт збігається з коефіцієнтом підсилення підсилювача.

Позначивши , отримаємо:

.

Для оцінки впливу паралельного від’ємного ОЗ на наскрізний коефіцієнт підсилення конкретизуємо спосіб реалізації ОЗ. Схему зобразимо в такому вигляді (рис. 34):

Рис. 34. Еквівалентна схема підсилювача, охопленого паралельним від’ємним ОЗ

У точці з’єднання резистора R_оз відбувається розгалуження струмів:

.

Якщо , то для вхідного контуру отримаємо:

.

Підставивши в дане рівняння відповідні значення струмів, отримаємо:

.

Перший та третій доданки об’єднуємо й отримуємо:

.

Величину напруги U_Rоз можна замінити на U_вих, оскільки для контуру, що складається з R_вх, R_оз та R_вих, у випадку від’ємного ОЗ справедливе рівняння:

.

Оскільки сигнал підсилюється, то і тому

Отже, рівняння для Е_д можна записати у вигляді :

,

де .

Знайдемо наскрізний коефіцієнт підсилення при наявності ОЗ, підставивши відповідне значення Е_д:

.

Отже,

.

Введення вищевказаного ОЗ призводить до зменшення величини наскрізного коефіцієнта підсилення в разів, де – наскрізна глибина ОЗ.

Стабільність величини коефіцієнта підсилення буде залежати від стабільності власного коефіцієнта підсилення підсилювача, а також від стабільності величини добутку параметрів .

При виконанні нерівності величина добутку .

Стабільність опору резистора R_оз може бути забезпечена як завгодно високою. Водночас вхідний опір підсилювача є функцією напруги живлення та температури. Змінюється він і внаслідок старіння елементів схеми. Отже, нестабільність коефіцієнта підсилення буде зумовлена нестабільністю величини вхідного опору.

При виконанні нерівності величина добутку .

Внутрішній опір джерела сигналу в загальному випадку– це константа для даного джерела, проте зміна параметрів зовнішнього середовища в певних межах може впливати на цю величину. Для зменшення зазначеного впливу, послідовно з джерелом підсилюваного сигналу вмикають додатковий резистор R_д. Його величина вибирається так, щоб виконувались дві умови : та . У цьому випадку нестабільність коефіцієнта підсилення буде найменшою, оскільки стабільність величини опорів R_оз та R_д може бути забезпечена як завгодно високою.

Не розглядаючи випадку послідовного (паралельного) від’ємного ОЗ за струмом, зробимо узагальнюючий висновок.

Введення послідовного від’ємного ОЗ за напругою (за струмом) зменшує величину коефіцієнта підсилення та величину наскрізного коефіцієнта підсилення відповідно в А і в А^* разів. Введення паралельного від’ємного ОЗ за напругою (за струмом) не змінює величину коефіцієнта підсилення, а зменшує лише величину наскрізного коефіцієнта підсилення.