5.2. Зворотні зв'язки в підсилювачах

Зворотним зв'язком називається передача сигналу з виходу на вхід. Якщо за рахунок зворотного зв'язку значення сигналу на виході збільшується, зворотний зв'язок називається позитивної. Якщо вихідний сигнал знижується, зворотний зв'язок називається негативної. Зворотні зв'язки можуть проводитися по напрузі й струму.

Рис. 5.5. Зворотні зв’язки: а,б – по напрузі; в,г – по струму.

На рис. 5.5, а, б показані зворотні зв'язки по напрузі, а на рис.5.5, в, г - по струму. Зворотний зв'язок по напрузі перестає діяти при короткому замиканні на виході. Зворотний зв'язок по струму перестає діяти при холостому ході на виході.

У всіх схемах зі зворотним зв'язком коефіцієнт передачі підсилювача

де U₁ U₂ - напруги відповідно на вході й виході підсилювача.

Коефіцієнт зворотного зв'язку підсилювача визначається відношенням

де U_зз - напруга зворотного зв'язку

Тоді коефіцієнт підсилення каскаду (коефіцієнт передачі)

де або K = U₂/U₃ - коефіцієнт підсилення без зворотного зв'язку.

Негативний зворотний зв'язок суттєво впливає на технічні параметри підсилювача. При наявності цього зв'язку: зменшуються нелінійні, частотні, фазові викривлення й шуми; підвищується стабільність коефіцієнта передачі; зменшується вихідне й збільшується вхідний опору. До недоліків негативного зворотного зв'язку слід віднести зменшення коефіцієнта підсилення.

Позитивний зворотний зв'язок застосовується в генераторах для порушення незатухаючих гармонійних коливань. Цей зв'язок визначає стабільність частоти сигналу генератора.

5.3. Типи електронних підсилювачів

Підсилювачі на біполярному транзисторі

Підсилювач напруги на польовому транзисторі

Підсилювачі з перетворенням

Для виміру дуже малих сигналів постійного струму (менш 1 мВ) застосування підсилювачів з безпосереднім зв'язком неможливо через великий дрейф вихідного сигналу й порушення. У цьому випадку використовуються підсилювачі з модуляцією й демодуляцією (МДМ), які мало чутливі до змін живлячого напруги й температури навколишнього середовища й значно стабільніші у часі, чому підсилювачі з безпосередніми зв'язками. У підсилювачах МДМ сигнал постійного струму перетвориться за допомогою модулятора в змінний сигнал. Цей змінний сигнал підсилюється до необхідної величини, а потім детектується й перетвориться зі змінного в постійний. На виході підсилювача коштує фільтр нижніх частот для згладжування перешкод різного роду.

Імпульсні підсилювачі

Імпульсний сигнал має широкий спектр частот, які повинні підсилюватися електронним пристроєм. Обмеження смуги пропущення підсилювача приводить до викривлень форми вихідного імпульсу в порівнянні із вхідним. Найбільші викривлення виникають при посиленні сигналів прямокутної форми.

Параметрами, що характеризують нелінійність, є тривалості переднього фронту t_ф і заднього схилу t_c, спад вершини імпульсу ΔU_с і викид на вершині імпульсу ΔU_B.

Інтегральні підсилювачі низької частоти

Підсилювачі потужності

Потужні підсилювачі низької частоти гармонійних сигналів є необхідним елементом будь-яких систем. Одним з основних параметрів цих підсилювачів є коефіцієнт підсилення по потужності, який залежить від опору навантаження й вхідного опору, а також від зміни живлячого напруги.

Робочий діапазон частот - це смуга частот підсилювача, у якій коефіцієнт підсилення залишається незмінним. Для підсилювачів низьких частот (ПНЧ) робітник діапазон із задовільними якостями лежить у діапазоні від 16 Гц до 20 кГц. В ПНЧ частот, що працюють у смузі, від 50 Гц до 10 кГц, нерівномірність коефіцієнта підсилення частот становить менш 5 дБ.

Багатокаскадні підсилювачі

Розробка багатокаскадних підсилювачів пов'язана з тим, що одержати великий (більш 100) коефіцієнт підсилення на одному активному елементі практично не можна. багатокаскадні підсилювачі повинні будуватися з таким розрахунками, щоб при великому коефіцієнті підсилення в пристрої не виникали паразитні коливання. Для виключення паразитних порушень доводиться застосовувати спеціальні заходи. До них ставляться:

• поділ загального коефіцієнта підсилення на непарне число каскадів;

• живлення кожного каскаду від свого джерела (або є індивідуальна конденсаторна розв'язка);

• максимальне видалення виходу останнього каскаду від входу першого каскаду.

Електрометричні й вимірювальні підсилювачі

Ці підсилювачі призначені для виміру напруги й струму над-малих значень. Вимір напруги проводиться в діапазоні від 0 до 100 мВ, а вимір струму - від 10-16 до 10-3 А. Для електрометричних підсилювачів основним параметром є великий вхідний опір. Вони працюють в області частот від 0 до 10 Гц. Основною погрішністю цих підсилювачів є тимчасовий і температурний дрейфи нуля. Електрометричні підсилювачі знайшли велике застосування для посилення малих сигналів і потенціалів різних датчиків.

Багатоканальні операційні підсилювачі

Широке застосування при побудові аналогових і цифрових пристроїв знаходять мікросхеми, що містять в одному корпусі трохи ОП. Таким способом вдається значно зменшити габаритні розміри електронних вузлів при збереженні їх надійності.

Операційні підсилювачі без перетворення сигналу

Найбільш широке поширення одержали ОП без перетворення сигналу, де вхідний каскад побудований за диференціальною схемою. ОП цього типу складаються з каскадів: диференціального підсилювача, схеми зсуву рівня напруг, вихідного підсилювача потужності.

Перелічимо основні параметри ОП.

1. Вхідний опір - диференціальний опір змінному струму

2. Середній вхідний струм, при відсутності сигналу не перевищуючий сотень наноампер.

3. Вхідний струм зрушення ΔI_вх = I_вх+ - I_вх- - різниця між вхідними струмами (він у кілька раз менше середнього вхідного струму).

4. Напруга зсуву (прикладається до одному із входів, Для одержання U_вых = 0), рівне 1мВ.

5. Температурний дрейф напруги зсуву

6. Вихідний опір, що становить 1...5 кому.

7. Коефіцієнт підсилення в межах 102... 105.

8. Смуга пропущення - смуга частот, у якій вихідна напруга зменшується не більш ніж до 0,7 від максимального значення.

9. Швидкість наростання вихідної напруги р = ΔU_вых /Δt.

10. Час установлення вихідної напруги, обумовлене між рівнями (0,1...0,9) U_вых і одиниці часу мкс.

11. Максимальний вихідний струм, що становить 5 мА й більш.

Для ОП принципове значення мають три параметри: р, R_BX, ΔU_CM/ΔT. Кожної з параметрів ОП можна поліпшити за рахунок погіршення інших. Розрізняють ОП:

• прецизійні, призначені для застосування в контрольно-вимірювальній апаратурі;

• швидкодіючі - для схем, де потрібні широка смуга пропущення, висока швидкість наростання вихідної напруги й малий час установлення;

• універсальні, або середньої точності;

• мікропотужні, де робітник струм підсилювача задається зовнішнім резистором;

• с високим вхідним опором;

• завадостійкі;

• багатоканальні;

• потужні.

Прецизійні, швидкодіючі, мікропотужні, завадостійкі, широкосмугові ОП ставляться до класу спеціалізованих, оскільки один або трохи їхніх параметрів мають значення, близькі до граничних.

Універсальні операційні підсилювачі

Прецизійні й швидкодіючі операційні підсилювачі

У вимірювальних пристроях необхідно підсилювати без викривлення слабкі сигнали датчиків, супроводжувані значним рівнем синфазних, температурних і інших перешкод. Прецизійні підсилювачі, використовувані для цих цілей, повинні мати не тільки дуже більші значення коефіцієнтів підсилення (більш 105), але й малими напругою зсуву нуля (не більш 0,5 мВ) і його дрейфом, малими рівнями шумів, більшим вхідним опором. Для побудови підсилювача, називаного іноді інструментальним, і здатного з великою точністю фіксувати перераховані параметри, звичайно використовують два-три ОП загального застосування з декількома високоточними добре підібраними по температурних коефіцієнтах резисторами негативному зворотному зв'язка. Прийнятну схему інструментального підсилювача можна одержати, якщо на вході універсального ОУ використовувати спеціальний прецизійний підсилювач із невеликим коефіцієнтом підсилення напруги, але з високим вхідним опором і малим дрейфом напруги зсуву.

Потужні й мікропотужні операційні підсилювачі

Мікропотужні й регульовані операційні підсилювачі

Для застосування в апаратурі, що працює в режимі очікування, потрібні ОП, що працюють від джерела живлення малої потужності й призначені для роботи в пристроях з обмеженою споживаною потужністю, а також для побудови високочутливих фотоприймачах, добротних фільтрів, пристроїв вибірки й зберігання.

Потужні операційні підсилювачі. Кристал ОП поміщений у прямокутний пластмасовий корпус, що дозволяє розсіювати значну потужність.