Тема 2.2. Свойства усилителя с ООС и применением обратной связи

Обратная связь влияет на показатели усилителя, причем это влияние зависит от вида и схемы обратной связи

Рассмотрим свойства обратной связи по напряжению:

такая связь уменьшает коэффициент усиления напряжения, но одновременно и уменьшает все искажения, помехи, выходное сопротивление, стабилизирует выходное напряжение.

Напряжение обратной связи (U_oc) на рабочем плече делителя R2 является частью выходного напряжения:

U_oc/U_вых = R2/R1+R2,

Отношение U_oc/U_вых = β называется коэффициентом обратной связи, он показывает, какая доля выходного напряжения сигнала поступает на вход и зависит от соотношения сопротивлений:

β = R2/R1+R2 <1

Eесли β = 1, то связь стопроцентная.

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется:

К_оос = К/1+βК, где

1+ βК = A – глубина обратной связи, показывает, во сколько раз уменьшается К, входящих в петлю связи, или в дБ => А (дБ) = 20 lgА = 20 lg(1+βК)

βК – коэффициент петлевого усиления.

Стабилизация выходного напряжения (U_вых) и коэффициента усиления (К_оос) объясняется так: если по какой - либо причине, скажем, изменения сопротивления нагрузки (Rн), начнет изменяться выходное напряжение (U_вых), то одновременно изменится напряжение обратной связи (U_ос), причем так, что это будет препятствовать изменению выходного напряжения – в результате выходное напряжение (U_вых), а, следовательно, и коэффициент усиления (К_оос), стабилизируются.

Например, увеличивается сопротивление нагрузки (R_н) и выходное напряжение (U_вых) должно возрасти, но одновременно увеличится напряжение обратной связи (U_ос), и уменьшится входное напряжение (U_вх), что снизит и выходное напряжение (U_вых).

В итоге выходное напряжение возрастет в (1+ βК) раз меньше, чем без обратной связи.

Уменьшаются и частотные искажения, так как они появляются в результате неодинакового усиления колебаний разной частоты, иначе, они вызваны изменением нагрузки с изменением частоты. И независимо от причин изменения выходного напряжения (U_вых), обратная связь уменьшает эти изменения в (1+ βК) раз, причем, чем глубже обратная связь, тем ровнее характеристика (рис 14). Уменьшение частотных искажений позволяет расширить частотный диапазон.

Одновременно улучшается и фазовая характеристика, а уменьшение нелинейных искажений объясняется тем, что под действием ООС напряжение гармоник и коэффициент гармоник уменьшаются в (1+βК) раз.

Аналогично уменьшается и уровень помех, что позволяет расширить динамический диапазон усилителя.

Однако помехи и искажения, возникшие в каскадах до петли обратной связи или во входной цепи, не уменьшаются. Также не уменьшаются нелинейные искажения, возникающие из-за нелинейности характеристик транзисторов.

Рис.14 Частотные характеристики усилителя без обратной связи и с ООС разной глубины

Выходное сопротивление усилителя уменьшается в (1+βК) раз.

Входное сопротивление уменьшается, если ООС подается на вход параллельно (цепь ОС шунтирует вход) и увеличивается при последовательной.

Итак, ООС по напряжению, уменьшает все виды искажений, тем сильнее, чем больше глубина обратной связи.

При ООС по току уменьшаются нелинейные искажения, помехи и коэффициент усиления, но в отличие от связи по напряжению, стабилизируется выходной ток и соответственно коэффициент усиления тока, так как напряжение обратной связи по току зависит от выходного тока и реагирует на все его изменения.

Например, выходной ток (I_вых) увеличился из-за уменьшения сопротивления нагрузки (Rн) => тогда увеличится напряжение обратной связи (U_ос) и уменьшится выходной ток (I_вых), то есть в итоге выходной ток мало изменится.

При этом на меньшем сопротивления нагрузки (Rн) понизится выходное напряжение (U _вых), так как, U_вых = I_{вых •} R_н, то есть связь по току увеличивает нестабильность выходного напряжения и коэффициент усиления напряжения К_u.

Если R_н = const, то стабилизируется выходной ток (I_вых), одновременно стабилизируется выходное напряжение (U _вых), так как U_вых = I_{вых •} R_н, то есть связь по току увеличивает нестабильность выходного, К_u и частотные искажения.

Но если R_н зависит от частоты искажения, то частотные искажения увеличиваются.

Выходное сопротивление увеличивается.

Входное сопротивление также зависит от способа подачи ООС, то есть при параллельной подаче уменьшается, а при последовательной - увеличивается.

Применение обратной связи определяется её свойствами:

- в оконечных каскадах применяется связь по напряжению, так как сопротивление звуковой катушки (R_н) громкоговорителя мало зависит от частоты, и здесь очень важно уменьшить выходное сопротивление, стабилизировать выходное напряжение (U _вых), уменьшить искажения.

Поэтому петля обратной связи охватывает два-три последних каскада.

- в каскадах предварительного усиления применяется ООС по напряжению для уменьшения искажений и коррекции частотных характеристик.

- связь по току нельзя применять в оконечных каскадах, и она используется в предварительных каскадах для уменьшения нелинейных искажений при перегрузке со стороны входа.

Одна из главных целей ООС - коррекция частотной характеристики, для чего применяют частотно-зависимую обратную связь, в цепь которой включены реактивные элементы.

При этом глубина обратной связи, изменяется с изменением частоты, что позволяет получить подъем или спад в определенной области частот и компенсировать, соответственно, спад или подъем, вносимый другими цепями.

Контрольные вопросы:

1. Что такое обратная связь и ее виды?

2. Дайте определение связи по напряжению и по току.

3. Изобразите структурные схемы обратной связи.

4. Параллельная и последовательная подача обратной связи и структурные схемы таких связей.

5. Свойства ООС по напряжению.

6. Коэффициент обратной связи и его глубина.

7. Формула для определения коэффициента усиления с обратной связью.

8. Свойства ООС по току.

9. Применение обратной связи по току и напряжению.

Раздел 3 УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Простейший усилительный каскад строится на одном усилительном элементе, входная цепь которого содержит источник смещения и источник сигнала, а выходная – источник питания и нагрузку. Если усилительный элемент – транзистор, то его свойства определяются схемой включения транзисторов, и они были рассмотрены в курсе предмета «Электроника и импульсная техника». Однако, работа транзистора рассматривалась в режиме покоя (вспомнить схемы ОЭ, ОБ,ОК).

Сегодня мы рассмотрим работу разных схем включения в динамическом режиме.

Тема 3.1. Работа транзистора в разных схемах включения

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис 15)

- Режим покоя (исходный режим): в этом режиме в цепях транзистора протекают постоянные токи базы (I_бо)и коллектора (I_ко) и действуют постоянные напряжения на базе (U_бо) и на коллекторе (U_ко). Направления токов показаны от (+)к (-) источника Е_к На нагрузке создаётся падение напряжения (I_ко·R_к ).

Напряжение источника питания распределяется между транзистором и нагрузкой, поэтому напряжение коллектора в режиме покоя определяется: U_кo = E_к - I_кo·R_к

Рис.15 Усилительный каскад на транзисторе n - p - n по схеме ОЭ

Рис.16 Графики зависимости токов и напряжений транзистора n - p - n от времени в схеме ОЭ

- Режим усиления (динамический), имеет место при подаче входного сигнала. В этом режиме напряжения и токи в цепях транзистора пульсируют с частотой сигнала, и эти величины можно рассматривать как сумму постоянной и переменной составляющих.

В режиме усиления в любой момент сохраняется зависимость: U_к = E_к - i_к·R_к

Пульсирующие токи протекают в том же направлении, что и постоянные (указывает стрелка Э). Графики зависимости токов и напряжений на рис 16.

Направление переменных составляющих изменяется дважды за период: в положительный полупериод сигнала прямое напряжение на эмиттерном переходе транзистора n-p-n увеличивается, ток базы возрастает, следовательно возрастает и ток коллектора и напряжение (i_к·R_к), а напряжение (U_к) коллектора уменьшается т.е. на коллекторе отрицательная полуволна усиленного сигнала. Из сказанного видно, что каскад по схеме ОЭ в процессе усиления переворачивает фазу сигнала на 180º.

Свойства каскада:

- Коэффициент усиления тока определяется:

K_i = β = α /1-α, составляет десятки раз.

- Коэффициент усиления напряжения определяется:

K_u = U_вых/U_вх = U_mк / U_mб = Ki · R_к / R_вх = β · R_к / R_вх, составляет сотни раз.

- Коэффициент усиления мощности:

K_p= P_вых/P_вх=K_i K_u = β^² · R_к / R_вх, составляет тысячи раз.

Коэффициенты усиления зависят от сопротивления нагрузки.

Входное сопротивление определяется: R_вх = U _вх / I_вх, велико, составляет сотни,

тысячи Ом, оно соизмеримо с выходным сопротивлением (тысячи, десятки тысяч Ом), поэтому каскады с ОЭ можно соединить без согласующих элементов.

1. Схема с общим коллектором (ОК) ( рисунок 17 )

Рис. 17 Схемы с общим коллектором на транзисторах p-n-p (а) и n-p-n (б) и эквивалентные им схемы для переменного тока (в,г)

Рис.18 Графики зависимости токов и напряжений транзистора n - p - n от времени в схеме ОК

Сопротивление эмиттерной нагрузки (Rэ) включено между эммитером и общим проводом, коллектор подключается непосредственно к источнику питания, а т.к. источник питания имеет очень малое сопротивление для переменной составляющей тока, то можно считать коллектор подключенным к общему проводу, поэтому входной сигнал подаётся на базу относительно коллектора.

- В режиме покоя постоянный ток коллектора протекает через транзистор и нагрузку Rэ от (+ E_к) к (– E_к)

- В режиме усиления, в положительный полупериод входного сигнала, за счёт увеличения тока коллектора и напряжения на нагрузке потенциал эмиттера повышается, и на нём будет положительная полуволна выходного сигнала, т.о. в схеме с ОК фаза сигнала не переворачивается, переменная составляющая тока коллектора идёт от эмиттера (Э) к коллектору (К), а напряжение на резисторе (R_э) и есть выходной сигнал.

Процесс усиления иллюстрируется на рис 18.

Это схему можно рассматривать как схему с OЭ со 100- процентной ООС по напряжению с последовательной подачей его на вход. Результирующий сигнал на эммитерном переходе определяется: U_бэ~ U_вх – U_вых, поскольку все выходное напряжение является напряжением обратной связи, т.е. U_oc = U_вых, то коэффициент обратной связи β = 1, при этом выходное напряжение меньше входного, и каскад называется эмиттерным повторителем.

Свойства каскада:

- K_u = U_вых / U_вх = U_вых/U_вых – Uбэ < 1;

- K_i = I_вых / I_вх = I_mэ / I_mб = γ = 1 /1-α = β +1, составляет десятки раз;

- K_p= K_i K_u, составляет десятки раз;

- R_вх – велико, составляет тысячи десятки тысяч Ом;

- R_вых – мало, составляет десятки, сотни Ом;

- нелинейные, фазовые и частотные искажения очень малы;

- выходное напряжение и коэффициент усиления напряжения (K_u) стабилизируются и практически не зависят от сопротивления нагрузки;

- частотная характеристика практически не имеет спада в области ВЧ даже при работе на нагрузку с емкостным характером.

Применяется каскад перед длинными линиями ВРГ, в оконечных каскадах, а также между двумя каскадами для согласования сопротивления выхода предыдущего с входом следующего.

3. Схема с общей базой (ОБ) (рис. 19)

- Входная цепь – эмиттер – база (Э-Б), в неё включены источник сигнала и источник эмиттерного напряжения (Eэ);

Рис.19 Усилительный каскад на транзисторе n-p-n по схеме ОБ

Рис.20 Временные диаграммы токов и напряжений для транзистора p-n-p в схеме ОБ

- В выходную цепь включены сопротивление нагрузки R_к и источник питания E_к.

- В режиме усиления, в положительный полупериод сигнала, повышается потенциал эмиттера и уменьшается прямое напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Это вызывает уменьшение токов эмиттера и коллектора, а также и напряжения на нагрузке R_к. Т.к. U_к = E_к - i_к·R_к, то напряжение на коллекторе при этом увеличится, что соответствует положительной полуволне выходного сигнала, т.е. схема с ОБ фазу сигнала не переворачивает, в этот момент переменная составляющая тока (i_к ~) идет от коллектора (К) через R_к и E_к к базе (Б).

Свойства схемы:

- K_i = I_вых / I_вх = I_mк / I_mэ < 1,т.к. I_э = I_к + I_б

Т.к. R_к много меньше сопротивления коллекторного перехода, то можно считать режим, близким к к.з., следовательно Ki = α, составляет (0,95-0,99);

- K_u = U_вых / U_вх = U_mк / U_mэ = I _вых·R_к / I _вх·R_вх = d·R_к / R_вх, составляет десятки раз;

- K_p = K_i · K_u= d² ·R_к / R_вх, составляет десятки раз;

- R _вх – мало, составляет десятки Ом;

- R _вых – велико, составляет сотни Ком.

Большая разность сопротивлений входа и выхода требует между каскадами с ОБ согласующих элементов (трансформатора или каскада ОК), поэтому данная схема находит применение не как усилительный каскад, а как вспомогательный элемент в сложных каскадах.

Сделать общий обзор трех схем включения:

Дата добавления: 2014-12-10