Применение в усилителях ООС

УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Лекция 9

ООС в усилителях нашли широкое применение для улучшения основных технических характеристик и могут быть использованы как для коррекции характеристик отдельных каскадов (местные ОС), так и всего УУ (общая ОС).

Местные ОС вводятся для снижения зависимости коэффициента усиления данного каскада от индивидуальных значений параметров УП, для направленного изменения входного и выходного сопротивлений, расширения полосы усиливаемых частот и уменьшения нелинейных искажений.

ООС, охватывающие два и большее число каскадов с резистивно-емкостной и (или) непосредственной связью, осуществляются по схемам, показанным на рис. 9.1, а, а охватывающие три или большее нечетное число каскадов – по схемам, показанным на рис. 9.2, б.

Рис. 9.1. Схемы ООС в многокаскадных усилителях.

Местные ОС, охватывающие 1-2 каскада, как правило, безопасны с точки зрения устойчивости усилителя, но уже при охвате ОС трех каскадов могут возникать сильные искажения формы частотной характеристики и наступать условия самовозбуждения усилителя. Еще серьезнее становится проблема устойчивости при введении общей петли ООС, охватывающей многокаскадный усилитель. В то же время общая ОС при равном проигрыше в усилении может быть значительно глубже и, следовательно, эффективнее нескольких местных. Поэтому, несмотря на усложнение техники расчета и налаживания УУ, часто стремятся охватить весь усилитель общей петлей ООС.

При эскизном проектировании усилителя с общей ООС следует заранее выбрать желаемую ее глубину γ и с учетом корректирующего действия ОС сразу же пересчитать все заданные на УУ требования применительно к собственно усилителю без цепи ОС. Такой пересчет осуществляют, в частности, на основании соотношений

;

;

,

где заданные значения коэффициента усиления по э.д.с., коэффициентов частотных и нелинейных искажений подставляются в качестве K_{E ос}, M _ос, K _г.ос. Лишь после этого производится распределение усиления и допустимых искажений по блокам и отдельным каскадам усиления.

Особую специфику приобретает задача распределения частотных искажений по каскадам. Для обеспечения устойчивости сдвиг фаз петлевого коэффициента усиления K β на частоте среза (при K β=1) должен быть меньше 180°. Обычно этого добиваются выбором формы АЧХ петлевого коэффициента усиления по типу показанной на рис. 9.2. При синтезе такой АЧХ вместо коэффициентов частотных искажений M _{н i} и M _{в i} на граничных частотах ω_н и ω_в удобнее пользоваться частотами сопряжения

;

,

которые вводятся для отдельных каскадов в целом, а для каждой элементарной фазосдвигающей низкочастотной (ω_{н i}) и высокочастотной (ω_{в i}) цепи и связаны простыми соотношениями с постоянными времени этих цепей: τ_{н i} =1/ω_{н i}; τ_{в i} =1/ω_{в i}.

Рис. 9.2. АЧХ петлевого коэффициента усиления, гарантирующая устойчивость.

Из общего числа n _н низкочастотных постоянных времени только две выбираются соответствующими частоте сопряжения ω_1н (рис. 9.2), которая определяет нижнюю граничную частоту усилителя с разомкнутой петлей ОС, а для n _н–2 остальных НЧ цепей выбирают намного большие постоянные времени, соответствующие частоте сопряжения ω_4н, на которой петлевое усиление K β<1. Тогда в полосе частот ω_4н…ω_1н наклон АЧХ составит около 12 дБ/окт, а сдвиг фаз – около 180°. Для создания запаса устойчивости достаточно ввести одну корректирующую цепочку, которая уменьшит наклон АЧХ в районе частоты среза (в полосе ω_3н…ω_2н на рис. 9.2) до 6 дБ/окт. Такую цепочку (рис. 9.3, а) можно включить в цепь ОС, причем две ее частоты сопряжения должны соответствовать значениям ω_2н и ω_3н, симметричным относительно нижней частоты среза ω_н.ср.

Рис. 9.3. Цепи фазовой коррекции.

Аналогично синтезируется нужная форма АЧХ в области ВЧ. Только для двух из общего числа n _в ВЧ постоянных времени выбирается τ_{в i} =1/ω_1в, а для n _н–2 остальных значительно меньше: τ_{в i} =1/ω_4в. ВЧ корректирующая цепочка, уменьшающая наклон АЧХ в районе верхней частоты среза ω_в.ср, выполняется по схеме, показанной на рис. 9.3, б. Таким образом, полная схема цепи ОС с двумя корректирующими цепочками принимает вид, как показано на рис. 9.3, в.

Частоты сопряжения ω_4н и ω_4в должны тем более отстоять от частот ω_1н и ω_1в, чем глубже общая ОС и чем больше в усилителе фазосдвигающих цепей, т.к. каждая цепь с ω_{в i} =ω_4н и ω_{в i} =ω_4в вносит, хотя и небольшой, добавочный сдвиг фаз на частотах среза и уменьшает запас по фазе.

Для того, чтобы при возможных отклонениях параметров устройства от расчетных, в частности из-за нестабильности коэффициента усиления собственно усилителя, не была потеряна устойчивость, наряду с общей петлей ОС могут потребоваться и местные ООС в отдельных каскадах или группах каскадов, а также достаточная протяженность участков АЧХ с наклоном 6 дБ/окт (1-2 октавы).

Теоретические соотношения, используемые при расчетах усилителей с глубокой общей ОС, и дополнительные сопряжения по рациональному проектированию таких устройств содержатся в [?,?]. Следует, однако помнить, что приближенный характер эквивалентных схем, в особенности транзисторов и трансформаторов, по которым определяется число элементарных фазосдвигающих цепочек, наличие паразитных связей и используемое в теории предположение об однонаправленности звеньев, образующих УУ, могут делать теоретические расчеты не вполне строгими и приводить к необходимости дополнительной экспериментальной настройки схем коррекции с целью достижения желаемой устойчивости.

Дата добавления: 2014-01-03