Operaciniai stiprintuvai su grįžtamaisiais ryšiais

Naudojant įvairaus tipo grįžtamuosius ryšius, galima pakeisti stiprintuvo rodiklius pageidaujama linkme: padidinti arba sumažinti įėjimo ir išėjimo varžas, stabilizuoti perdavimo funkcija. Operaciniuose stiprintuvuose nesunku sudaryti bet kokio tipo grįžtamuosius ryšius. Iš tikrųjų operacinis stiprintuvas turi tiesioginį ir inversinį įėjimus, todėl galima sudaryti bet kokio tipo (lygiagretų. nuoseklų, srovės, įtampos) grįžtamąjį ryšį. Be to, šių stiprintuvų stiprinimo koeficientas būna labai didelis, todėl neigiamas grįžtamasis ryšys gali būti labai stiprus. Dėl šių savybių operaciniai stiprintuvai yra universalūs: jų pagrindu, naudojant grįžtamuosius ryšius, galima sukonstruoti pageidaujamų savybių stiprintuvus.

Nuoseklus įtampos grįžtamasis ryšys. Operacinio stiprintuvo su tokiu grįžtamuoju ryšiu schema atvaizduota 6 paveiksle a. Šios schemos grįžtamojo ryšio koeficientas, kai Rm<<Rin,

.

Kadangi operacinio stiprintuvo stiprinimo koeficientas K0 labai didelis. tai grįžtamasis ryšys gali būti labai stiprus, t. y. . Tuomet stiprintuvo su grįžtamuoju ryšiu stiprinimo koeficientas

 

nepriklauso nuo signalo šaltinio vidinės varžos, apkrovos varžos ir stiprinimo koeficiento Kn0, o priklauso tik nuo rezistorių R1 ir Rm, varžų santykio ir gali būti labai stabilus. Stiprintuvo įėjimo varža    yra labai didelė, o išėjimo — labai maža. Ribiniu atveju, kai, , gaunamas idealus stiprintuvas. Toks stiprintuvas atitinka įtampa valdomą idealu įtampos šaltinį (6 pav.b). Realaus operacinio stiprintuvo su stipriu nuosekliu įtampos grįžtamuoju ryšiu parametrai artimi įtampa valdomo idealaus įtampos šaltinio parametrams.

Nuoseklus srovės grįžtamasis ryšys. Operacinio stiprintuvo su tokiu ryšiu schema parodyta 7 paveiksle a. Šio stiprintuvo grįžtamojo ryšio koeficientas, kai Rm<<Rin,

, todėl įtampos stiprinimo koeficientas, esant stipriam ryšiui, . Srovės grįžtamasis ryšys stabilizuoja išėjimo srovę. todėl šios, schemos perdavimo laidumas  nepriklauso nuo operacinio stiprintuvo ir prie jo prijungtų grandinių parametrų, o įėjimo ir išėjimo varžos gaunamos labai didelės. Kai  ir gaunamas idealus stiprintuvas, kuris atitinka idealų įtampa valdomą srovės šaltinį (7 pav b). Operacinis stiprintuvas su stipriu nuosekliu srovės grįžtamuoju ryšiu yra artimas idealiam įtampa valdomam srovės šaltiniui.

Lygiagretus srovės grįžtamasis ryšys. Operacinio stiprintuvo su tokiu ryšiu schema parodyta 3.28 paveiksle. a. Šio stiprintuvo grįžtamojo ryšio koeficientas ; čia . Esant stipriam grįžtamajam ryšiui, kai , srovės stiprinimo koeficientas , nepriklauso nuo stiprintuvo srovės stiprinimo koeficiento Ki0.

Jei , t.y. jei , tai Kir nepriklauso ir nuo kitų schemos parametrų. Kaip žinoma, lygiagretus srovės grįžtamasis ryšys mažina įėjimo varžą ir didina išėjimo varžą, todėl 8 paveikslo a, stiprintuvo įėjimu varža maža, o išėjimo — didelė. Ribiniu atveju. kai, , o Kir=const, gaunamas idealus stiprintuvas, kuris atitinka idealų srove valdoma srovės šaltinį (8 pav. b). Realaus operacinio stiprintuvo įėjimo varža gana didelė, todėl, kai išpildyta sąlyga , sunku patenkinti stipraus ryšio sąlyga  ir operacinio stiprintuvo pagrindu sunku gauti srove valdomą srovės šaltinį, artimą idealiam.

Lygiagretus įtampos grįžtamasis ryšys. Tokio ryšio operacinio stiprintuvo schema pateikta 9 paveiksle a. Grįžtamojo ryšio koeficientas . Esant stipriam grįžtamajam ryšiui, srovės stiprinimo koeficientas , o perdavimo varža . Jei , perdavimo varža nepriklauso nuo stiprintuvo parametru. Šios schemos įėjimo ir išėjimo varžos yra labai mažos. Kai , gaunamas idealus stiprintuvas, kuris atitinka idealų srove valdoma įtampos šaltinį. Realaus operacinio stiprintuvo, kuriame veikia stiprus lygiagretus įtampos grįžtamasis ryšys, parametrai artimi idealaus srove valdomo įtampos šaltinio parametrams.

Taigi iš operacinių stiprintuvų su neigiamais stipriais įvairių tipų grįžtamaisiais ryšiais sudaromi srove bei įtampa valdomi srovės ir įtampos šaltiniai. Šie šaltiniai panaudojami, konstruojant aktyvines RC grandines.

Operacinių stiprintuvų stabilumas. Aprašytųjų schemų operaciniuose stiprintuvuose sudaromi stiprūs grįžtamieji ryšiai. Jei neišpildytos stabilumo sąlygos, tokios schemos susižadina ir normalus jų darbas sutrinka. Remiantis Naikvisto stabilumo kriterijumi, nustatoma, kad stiprintuvas bus stabilus, jei esant dažnumui, kuriam patenkinama fazių balanso sąlyga , grįžimo santykio modulis .

Operaciniuose stiprintuvuose skiriamųjų kondensatorių nėra, todėl fazinė charakteristika nukrypsta nuo nulinės reikšmės tik esant aukštiems dažnumams.

Tranzistorinio laipsnio dažnuminės savybės, esant aukštiems dažnumams. aprašomos formulėmis   .

Kai , .

Logaritmuojant šį reiškinį, gaunama . Iš čia matyti, kad  ir  susieti tiesine priklausomybe. Todėl, braižant ,,dvigubu logaritminiu masteliu" (abscisių ir ordinačių ašių), dažnuminė charakteristika, esant , yra tiesė. Kadangi  paprastai išreiškiamas decibelais, Kbd=20lg K, tai, padidėjus dažnumui 10 kartų, stiprinimas sumažėja 20 dB, o padidėjus du kartus (oktava) 6 dB. Vadinasi, aukštų dažnumų srityje dažnuminės charakteristikos statumas lygus 20 dB/dekadai arba 6 dB/oktavai.

Dvigubu logaritminiu masteliu nubraižytą dažnuminę charakteristika patogu aproksimuoti tiesėmis. Šiuo atveju maksimali paklaida bus lygi 3 dB, kai . Fazinė charakteristika taip pat aproksimuojama tiesių atkarpomis O ir šuoliu, kai . Šiuo atveju maksimali fazės paklaida lygi , kai . Taip aproksimuotos dažnuminė ir fazinė charakteristikos vadinamos asimptotinėmis charakteristikomis, arba Bodė diagramomis. Tokiomis diagramomis patogu naudotis, nagrinėjant daugialaipsnių stiprintuvų stabilumą.

Daugialaipsnio stiprintuvo asimptotinės charakteristikos gaunamos, sudėjus atskirų laipsnių asimptotines charakteristikas. Tarp dažnumų  ir  dažnuminei charakteristikai turi įtakos du laipsniai, todėl čia asimptotinės charakteristikos statumas 40 dB/dekadai, o fazinis kampas . Esant dažnumui aukštesniam kaip , dažnuminę charakteristika formuoja visi trys laipsniai, todėl čia šlaito statumas — 60 dB/dekadai.

Asimptotinės diagramos labai patogios, nagrinėjant stiprintuvo su neigiamais grįžtamaisiais rysiais stabilumą. Nubrėžus asimptotinės dažnuminės charakteristikos grafike horizontalią tiesę , susikirtimo su asimptotine charakteristika taške , t. y. . Stiprintuvas bus stabilus, jei dažnumui, atitinkančiam susikirtimo tašką, . Stiprintuvas bus stabilus tik tuo atveju, jei susikirtimo taško dažnumas bus

mažesnis už , t. y. jei tiesė  susikirs su dažnuminės charakteristikos šlaitu, kurio statumas neviršija 20 dB/dekadai.

Logaritmuojant ir dauginant iš 20 reiškinį , gaunama .

Kai F>Fmax, stiprintuvas susižadina.

Operacinių stiprintuvų stiprinimo koeficientas labai didelis, ir jie dažniausiai naudojami schemose su stipriais grįžtamaisiais ryšiais. Dažnai grįžtamojo ryšio stiprumas Fmax yra per mažas. Kad stiprintuvas būtų stabilus, kai F>Fmax. naudojamos specialios korekcijos grandinėlės. Paprasčiausių korekcijos grandinėlių schemos, plačiai naudojamos integraliniuose operaciniuose stiprintuvuose, parodytos 

10 paveiksle a ir b.

10 paveikslo a, grandinėlės rezistoriai įeina į mikroschema, o kondensatoriui prijungti daromi du atvadai nuo rezistoriaus R1. Tokio tipo korekcijos grandinėlė naudojama 4 paveikslo operaciniame stiprintuve. Šioje schemoje kondensatorius jungiamas prie gnybtų 6,7, o rezistorius R2 yra tranzistoriaus T8 įėjimo varža. 10 paveikslo b, grandinėlei prijungti pakanka vieno atvado. Rezistorių R1 pakeičia vidinė varža, o elementai R2C jungiami tarp atvado ir bendro schemos taško.

Aptartos  paprasčiausios korekcijos grandinėlės blogina stiprintuvo be grįžtamojo ryšio savybes: grandinėlė a mažina stiprinimo koeficientą, grandinėlė b — siaurina pralaidumo juostą. Neminimalios fazės grandinėmis galima koreguoti fazę, nekeičiant amplitudinės charakteristikos. Tuomet galima sudaryti stipresnį grįžtamąjį ryšį, nebloginant stiprintuvo rodiklių. Tokios grandinėlės yra gana sudėtingos, ir todėl integraliniuose stiprintuvuose nenaudojamos, tačiau jos plačiai taikomos stiprintuvuose iš diskretiniu elementų.