Основные теоретические положения. для выполнения лабораторных работ студентами направления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.7

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «ЭЛЕКТРОНИКА»

для выполнения лабораторных работ студентами направления

220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»

«Исследование влияния ООС на качественные характеристики усилительного каскада»

Подписи и телефоны авторов

___________ Мусихин С.А.

тел. 20-30-28

Тюмень – 2013г

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для оказании теоретической и практической помощи обучаемому в выполнении лабораторной работы. Позволяют студенту подготовиться к занятию, выполнить задание, оформить отчетные документы и ответить на контрольные вопросы.

После выполнения лабораторной работы студент должен знать основы влияния отрицательных обратных связей (ООС) на качественные характеристики работы усилительных каскадов, принципы введения ООС в принципиальные схемы, уметь определять типы ООС в принципиальных схемах электронных устройств, сформировать навыки анализа и синтеза усилительных каскадов с применением ООС.

Цель работы: Изучить особенности функционирования разнообразных ООС с усилительными каскадами на основе биполярного транзистора, их конструктивные особенности, достоинства и недостатки, критерии оценки основных параметров работы.

При выполнении лабораторной работы обучаемый обязан соблюдать правила техники безопасности. Лабораторный практикум функционирует на основе комплекта виртуальных электронных схем на базе прикладного ПО Multisim 11.0, в связи с чем перечень требований безопасности студента при выполнении лабораторного задания ограничивается правилами работы с персональным компьютером.

Обратной связью (ОС) называется сигнал, подаваемый с выхода усилителя на его вход.

В зависимости от фазы выходного сигнала по отношению к входному обратная связь может быть положительной и отрицательной.

С точки зрения механизма суммирования выходного сигнала со входным различают последовательную и параллельную ОС.

Кроме того, по способу отбора сигнала ОС с выхода связь определяется как токовая или потенциальная.

В усилителях электрических сигналов нашла применение отрицательная обратная связь (ООС). Положительная ОС является основой функционирования генераторов гармонических колебаний.

На рисунке 1.1 представлены примеры реализации отрицательной обратной связи, где тракт усиления условно обозначен блоком с коэффициентом передачи «К», а цепь обратной связи – блоком с коэффициентом передачи «β».

Коэффициентом передачи принято называть отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного, следовательно:

,

где А_вых, А_вх, А_ос – амплитуды входного, выходного сигналов и сигнала обратной связи.

а – последовательная ОС по напряжению; б параллельная ОС по напряжению; в – последовательная ОС по току; г – параллельная ОС по току Рисунок 1.1 Виды обратных связей

В общем случае коэффициент передачи является величиной размерной, например В/мА или мА/В.

В технике этот термин сравнительно часто используется для обозначения характеристик механических объектов с электроприводом, пневмоприводом, гидроприводом (клапан, задвижка). При этом входным воздействием (сигналом) является управляющее воздействие (электрический, пневматический, гидравлический сигнал), выходной сигнал – линейное перемещение иглы или запорной планки и коэффициент передачи имеет размерность В/мм, МПа/мм и т.д. В случае же, когда входная и выходная физические величины имеют одну природу, например электрическое напряжение в блоке предварительного усиления или в электрическом трансформаторе, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления. По понятным причинам коэффициент усиления не имеет размерности и может быть больше или меньше единицы.

Для определения вида обратной связи по отношению к способу отбора сигнала ОС усилителя необходимо найти нагрузочный элемент (Rн) и мысленно закоротить его. Если при этом Аос обратиться в ноль – обратная связь потенциальная (по напряжению), если нет – обратная связь токовая. Последовательная ОС (аналог последовательного соединения сопротивлений в электротехнике) состоит в алгебраическом сложении (с учетом знака, фазы) входного напряжения и напряжения блока ОС. При параллельной ОС алгебраически складываются токи (входной и ОС) – аналог параллельного соединения сопротивлений в электротехнике.

Влияние обратной связи на основные параметры усилителя. Наиболее часто в усилительном тракте используются последовательная отрицательная обратная связь (ООС) по току (см. рисунок 1.2 а) и параллельная отрицательная обратная связь по напряжению на нагрузке (см. рисунок 1.2 б) - для схемы включения транзистора с ОЭ.

Первая из них используется для стабилизации рабочей точки по постоянному току и ее функционирование можно представить следующим образом.

Представим, что под действием внешней температуры транзистор нагрелся. Температурная зависимость электрического сопротивления полупроводника имеет спадающую форму, т.е. с ростом нагрева сопротивление падает. Следовательно, ток эмиттера (коллектора) увеличится без изменения тока базы. В этом случае рабочая точка на выходных характеристика поднимается вверх. Если в цепи эмиттера стоит резистор Rэ, то возросший ток приведет к снижению потенциала эмиттера по отношению к потенциалу базы, а значит к некоторому падению тока базы, что возвратит рабочую точку в прежнее положение, в результате чего величина коллекторного тока как бы не изменится.

Для входного контура из второго закона Кирхгофа следует:

,

что позволяет отнести сигнал на сопротивлении Rэ к ООС. Величина этого сигнала пропорциональна току нагрузки I_Н и передается на вход в потенциальной форме, что характеризует данную ОС, как последовательную по току.

а – последовательная ООС по напряжению; б – параллельная потенциальная ООС Рисунок 1.2 – Примеры схем с отрицательной обратной связью

На рисунке 1.2 б приведен пример схемы с ОЭ охваченной параллельной ООС по напряжению. Рост тока, вызванный, например, ростом температуры приведет к уменьшению напряжения на коллекторе транзистора, а затем и тока базы (тока смещения). Сместившаяся рабочая точка за счет уменьшения тока базы вновь займет прежнее положение на выходной характеристике.

Для оценки влияния ОС на характеристики усилителя рассмотрим коэффициент усиления каскада, собранного по схеме с ОЭ и охваченного последовательной ООС по току К_Uoc (см. рисунок 1.1 а).

,

где - комплексное в общем случае значение выходного и входного напряжений.

Но

,

(знак плюс перед U_oc говорит о том, что сигналы входа и обратной связи находятся в фазе - ОС положительная (ПОС); минус – в противофазе – ОС отрицательная),

тогда

,

.

Поскольку

, ,

следовательно, в общем случае коэффициент усиления каскада, охваченного ОС, может быть рассчитан как:

,

где знак минус в знаменателе соответствует ПОС, знак плюс – ООС, при этом соотношение - называется глубиной обратной связи, а произведение - петлевое усиление.

Таким образом, для ООС коэффициент передачи соответствует формуле:

Анализ полученного выражения показывает, что при глубокой ООС , K_Uoc не зависит от К и определяется:

Это равенство тем точнее, чем произведение больше единицы.

Чем же интересен данный вывод? Смысл представленных выкладок заключается в том, что при наличии ООС коэффициент усиления каскада определяется только величиной коэффициента передачи звена ОС и не зависит от коэффициента усиления прямой цепи К. Но К характеризуется параметрами активных элементов (транзисторы, операционные усилители), которые в той или иной степени подвержены влиянию внешней среды (температура, барометрическое давление, влажность, электромагнитные излучения и т.п.) и стабилизировать его очень сложно, если вообще возможно. β - по номиналу, как правило меньше единицы, реализуется на пассивных элементах (обычные делители, резисторные матрицы), стабильность которых обеспечить гораздо проще.

Следовательно, наличие ООС ведет к повышению стабильности усилительного каскада без применения сложных схем воздействия на цепь прямого преобразования (усиления). При этом даже в случае, когда соизмеримо с единицей, ООС повышает качественные показатели усиления каскада и совершенно неважно, что является дестабилизирующей причиной.

Модель влияния ООС можно рассмотреть на простом примере. Предположим К, как и β вещественные числа (другими словами мы имеем дело с усилением сигнала постоянного тока). Пусть К = 1000, но под действием внешнего фактора он уменьшается в 2 раза, т.е. К становиться равным 500. Если при этом β = 0,1 и обеспечивается его высокая стабильность, то К_Uoc, будучи тоже числом вещественным в первом случае будет равно 9,9, во втором 9,8. Таким образом погрешность от ухода К в два раза (на 50%) привела к относительной погрешности каскада равной:

Частотные характеристики могут быть интерпретированы через стабильность К_Uoc, когда влияющим фактором является частота усиливаемого сигнала. В качестве примера подойдет предыдущий случай, где уменьшение коэффициента усиления связывается с ростом частоты. АЧХ каскада без ООС представлено на рисунке 1.3 а.

а – коэффициент усиления каскада без обратной связи; б - коэффициент усиления каскада с ООС (К_Uoc) Рисунок 1.3 – Зависимость коэффициента усиления каскада с ООС от частоты

На рисунке по аналогии с выше представленным примером наличие ООС уменьшает по понятным причинам коэффициент усиления, но при этом К_Uoc не зависит от частоты в более широком частотном диапазоне, а частота среза смещается в область высоких частот.

ООС оказывает влияние и на входное сопротивление каскада. Результат влияния последовательной и параллельной ОС различен. Рассмотрим воздействие последовательной ООС (см. рисунок 2.1) на величину Rвх (в общем случае – комплексное входное сопротивление):

, , , ,

Следовательно,

и входное сопротивление возрастает в 1+β∙К раз.

При параллельной ООС входной ток будет равняться сумме:

Тогда в общем случае:

и входное сопротивление уменьшается в 1+ β∙К раз.

Выводом из представленных выкладок является то, что независимо от формы получения сигнала отрицательной обратной связи (токовая или потенциальная ОС) входное сопротивление растет при последовательной ООС и снижается при параллельной.

Выходное сопротивление каскада при наличии ООС зависит от способа ее организации и нечувствительно к виду суммирования со входным сигналом. Для ООС по напряжению (см. рисунок 1.4):

Рисунок 1.4 – Функциональная схема усилительного каскада с ООС по напряжению  

где ΔU_КАС – приращение напряжения на выходе усилительного каскада равное напряжению холостого хода на выходе.

Знак «минус» перед значением приращения напряжения ΔU_ВЫХ говорит о том, что положительный рост тока нагрузки ведет к уменьшению выходного напряжения, т.е. выходная нагрузочная характеристика усилителя является падающей.

Для ООС по выходному току (см. рисунок 1.5) изменение входного напряжения ΔU_ВХ, определяемое изменением тока нагрузки:

Отсюда:

Рисунок 1.5 – Функциональная схема усилительного каскада с ООС по току нагрузки

Последнее соотношение показывает рост выходного сопротивления усилительного каскада охваченного ООС по току, при этом вид ввода сигнала обратной связи во входную цепь не имеют значения.

Частотно-зависимая обратная связь. При положительной обратной связи коэффициент

Интерес в этом случае представляет соотношение . Тогда

.

При наступает так называемое самовозбуждение каскада и на его выходе устанавливаются гармонические колебания. Частота колебаний определяется внутренними параметрами цепи прямого преобразования и обратной связи. При в усилителе возникают расходящиеся колебания со все возрастающей амплитудой, характеризуемой неустойчивостью работы.

Условие , которое можно представить в показательной форме е ^{j×(jос+jу),} выполнимо, если модуль произведения =1 и е ^{j×(jос+jу)} = 1, что возможно при (j_ос+j_у) = 360⁰×n, где n = 0, 1, 2, 3, … любое целое число или 0.

Более подробно о применении условия равенства сказано в лабораторной работе АВТОГЕНЕРАТОРЫ.

На частотах ниже 100кГц отрицательную обратную связь очень часто применяют в форме частотно зависимой. В качестве зависимого элемента используют соединение RC. Из курса электротехники известно, что полное сопротивление цепи в этом случае будет определяться частотой сигнала, а поскольку коэффициент b формируется путем обыкновенного деления выходного сигнала на пассивных элементах, то значение напряжения (тока) ООС оказывается напрямую связано с частотой.

Если предположить, что на частоте w = w₀ коэффициент b» 0 (параллельное соединение RC, R << Z_C, U_ос » 0), тогда:

Следовательно, на частоте w₀ коэффициент передачи усилительного каскада оказывается равным коэффициенту усиления цепи прямого преобразования, другими словами возрастает многократно. Это свойство ООС нашло использование в избирательных усилителях, автогенераторах (ПОС), цепях коррекции амплитудно-частотных характеристик. С помощью частотно-зависимой отрицательной обратной связи возможна коррекция зависимости К_ос от частоты (см. рисунок 1.6).

Введение частотно-зависимой ООС является необходимой, например, для корректировки АЧХ тракта усиления сигнала магнитной головки аудио и видео магнитофонов, характеристики которых в области низких (20-100 Гц) и высоких (8-15 кГц) частот имеют глубокие спады.

а – функциональная схема электронного устройства; б – нормированная АЧХ каскада; К1 - входной каскад; К_ос2 – корректирующий каскад, с частотно-зависимой ООС; К_ос – результирующий нормированный коэффициент передачи устройства Рисунок 1.6 – Коррекция АЧХ посредством введения корректирующего каскада с частотно-зависимой ООС

Дата добавления: 2015-05-06