Площадь усиления

Для характеристики свойств усилителя, кроме диапазона усиливаемых частот, вводится понятие площади усиления.

П=К_СР·=const

В приведенном выражении для увеличения К_ср мы должны увеличивать значение R_K~, что следует из анализа в области средних частот. Но одновременно увеличение R_K~ автоматически приводит к уменьшению , т.е. значение площади усиления, определяемой как произведение К_СР и , будет оставаться примерно постоянным для данного типа усилителя. Это очень важный вывод, который говорит о том, что одновременно обеспечить большое значение К_СР и широкую полосу усиливаемых частот невозможно. Поэтому реальные усилители, как правило, выполняют многокаскадными, причем каждый каскад выполняют широкополосным (– велико), но с малым коэффициентом усиления, а общий коэффициент усиления определяют как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов. При исследовании качественных показателей характеристик усилительного каскада используется схема, приведенная на рис.10.

Применение и классификация ОС в усилителях.

Считается, что усилитель охвачен ОС в том случае, если часть энергии с выхода усилителя или устройства снова поступает на его вход. ОС вводится в случае если:

1) необходимо изменить параметры, характеристики усилителя в нужную сторону, как правило, в сторону улучшения;

2) без применения ОС невозможно спроектировать и выполнить ряд электронных устройств (автогенераторы, мультивибраторы, триггеры и т.д.).

ОС может вводиться через специально предусмотренную цепь или возникать самопроизвольно за счет электромагнитных связей между входной и выходной цепями усилителя, а также через общий источник питания за счет связи отдельных каскадов. Самопроизвольно возникающая ОС называется паразитной. На практике паразитную ОС удается свести к минимуму, следовательно, будет рассматриваться только специально введенная ОС.

Блок-схема усилителя с обратной связью представлена на рисунке 1.

Рис.1. Блок-схема усилителя с ОС

Здесь можно выделить несколько блоков:

– усилитель без ОС ;

– цепь ОС , через которую сигнал с выхода снова поступает на вход;

– сумматор ∑.

Из-за наличия паразитных реактивных элементов, значения и носят комплексный характер и могут быть представлены формулами

; , (1, 2)

где и - фазовые сдвиги создаваемые усилителем и цепью ОС, и являющиеся функцией частоты усиливаемого сигнала.

На выходе цепи появляется сигнал ОС – , который в сумматоре алгебраически суммируется с входным сигналом. Цепь ОС характеризуется коэффициентом ОС и определяется по формуле:

. (3)

Коэффициент ОС показывает какая часть выходного напряжения снова поступает на вход. Обычно .

Усилитель без ОС, цепь и сумматор образуют замкнутый контур или так называемую петлю ОС.

Классификация типов ОС:

1) По знаку ОС подразделяется на положительную и отрицательную:

а) положительная ОС в том случае, если и находятся в фазе, т.е. складываются;

б) отрицательная ОС, если и находятся в противофазе, т.е. вычитаются.

2) По способу снятия напряжения ОС (с выхода):

а) ОС по U, если напряжение ОС пропорционально Uвых усилителя;

б) ОС по I, если напряжение ОС пропорционально Iвых усилителя.

в) смешанная ОС, если Uос частично пропорционально Uвых, частично Iвых.

3) По способу подачи Uос (на вход):

а) последовательная ОС, когда источник входного напряжения и источник, образующий , включены последовательно относительно входных зажимов усилителя без ОС;

б) параллельная ОС, когда эти источники включены параллельно.

4) В зависимости от типа цепи ОС:

а) частотозависимая или комплексная ОС, когда параметры цепи ОС зависят от частоты;

б) частотонезависимая ОС, когда параметры цепи ОС для определенного диапазона частот не зависят от частоты;

в) ОС по постоянному току (напряжению), когда цепь ОС пропускает только постоянную составляющую с выхода на вход;

г) ОС по переменному току (напряжению), когда цепь ОС пропускает только переменную составляющую с выхода на вход;

д) линейная и нелинейная ОС;

е) инерционная и безинерционная.

Таким образом характеристики цепи ОС определяются элементами, которые использованы в цепи .

5) По числу охватываемых каскадов:

а) местная ОС (охватывающая один каскад);

б) общая ОС (охватывающая несколько каскадов или весь усилитель).

Рассмотрим ОС по способу снятия с выхода усилителя.

Блок-схема усилителя с обратной связью по напряжению представлена на рисунке 2.

Т.к. U_oc прямо пропорционально U_вых, то .

Рис.2. Блок-схема усилителя с обратной связью по напряжению

Блок-схема усилителя с ОС по току представлена на рисунке 3.

Т.к. U_oc прямо пропорционально U_вых, то .

Рис.3. Блок-схема усилителя с обратной связью по току

Рассмотрим ОС по способу подачи на вход усилителя.

На рисунке 4 представлена блок-схема усилителя с последовательной ОС.

Рис.4. Блок-схема усилителя с последовательной обратной связью

На рисунке 5 представлена блок-схема усилителя с параллельной обратной связью.

Рис.5. Блок-схема усилителя с параллельной обратной связью

Создается ОС с помощью делителя выходного напряжения.

Влияние ОС на коэффициент усиления усилителя.

Введение ОС в усилитель оказывает влияние абсолютно на все параметры и характеристики усилителя. Основным параметром является К_ус.

На рисунке 6 представлена блок-схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению. Рис.6. Блок-схема усилителя с последовательной ОС по U

Из рисунка 6 следует,что для ПОС: U_БЭ=U_ВХ+U_ОС для ООС: U_БЭ=U_ВХ–U_ОС.

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

. (9)

- глубина ОС показывает во сколько раз К_ОС меньше или больше К_УС без обратной связи.

Анализ введения ОС.

При введении ПОС (глубина ОС F=1-βК), когда в знаменателе «минус», коэффициент усиления возрастает. При βК=1 знаменатель, т.е. F=0, а K_ОС→∞. Такой режим работы усилителя будет неустойчив, усилитель переходит в режим автоколебаний (используется в автогенераторах), в обычных усилителях не используется.

Если F=1+βК, то К_УС уменьшается. Это единственный недостаток ООС.

Для операционных усилителей (ОУ) , следовательно, единицей в знаменателе можно пренебречь

. (10)

Отсюда следует, что при большой глубине ОС F→∞, К_ОС практически не зависит от К_УС, а определяется только цепью ООС. Обычно, цепь ОС выполняется в виде 2-3 резисторов, следовательно, можно обеспечить точное значение коэффициента усиления в широком диапазоне частот, малочувствительного к изменению качественных показателей и характеристик самого усилителя без ОС.

Влияние ОС на АЧХ и связанные с ней линейные искажения.

На рисунке 7 изображена АЧХ усилителя с ПОС, ООС и без ООС.

Рис.7. Влияние положительной и отрицательной обратных связей на АЧХ усилителя

Коэффициент частотных искажений М можно представить в виде:

, (11)

Если ,

где - нестабильность коэффициента усиления.

Для определения коэффициента частотных искажений на высоких частотах используется следующая формула:

, (12)

т.к. βКв<βК, следовательно М>Моос.

При введении ООС значение коэффициента частотных искажений уменьшается, полоса пропускания увеличивается, следовательно, линейные искажения уменьшаются.

При введении ПОС полоса пропускания сужается, коэффициент усиления возрастает, частотные искажения увеличиваются, но усилитель начинает работать в режиме автоколебаний.

Влияние ОС на АХ и связанные с ней нелинейные искажения.

На рисунке 8 приведены амплитудные характеристики усилителя после введения положительной и отрицательной обратных связей и без введения обратной связи.

Рис.8. Влияние отрицательной и положительной обратных связей на АХ усилителя

При введении ОС:

1. при введении ООС уровень шумов уменьшается, при ПОС – увеличивается;

2. увеличивается динамический диапазон усиления как входных так и выходных сигналов при введении ООС, введение ПОС имеет обратное действие;

3. уменьшается К_УС при ООС, т.к. угол наклона характеристики уменьшается, а К=tgα; увеличивается К_УС при ПОС, т.к. угол наклона характеристики увеличивается;

4. общий уровень ограничения максимальной амплитуды не изменяется, т.к. он определяется характеристиками усилителя (значением источника напряжения Е_К);

5. нелинейные искажения при введении ООС уменьшаются (т.к. увеличивается динамический диапазон), при ПОС увеличиваются (т.к. динамический диапазон уменьшается).

Влияние последовательной ОС на R_ВХ.

Рис.11 Блок-схема усилителя с последовательной ОС

Последовательная обратная связь влияет на входное сопротивление усилителя следующим образом:

, (20)

, (21)

, (22)

, (23)

, (24)

подставив значение в получим:

(25)

Т.о. при введении ООС входное сопротивление возрастает в глубину раз, а при введении ПОС уменьшается и даже может принять отрицательное значение, что свидетельствует о неустойчивой работе усилителя.

Влияние параллельной ОС на Rвх

Уже знакомая, эквивалентная схема усилителя с параллельной ОС по напряжению представлена на рисунке 12.

Рис. 12 Эквивалентная схема усилителя с параллельной ОС

Параллельная обратная связь влияет на входное сопротивление усилителя следующим образом:

(26)

. (27)

Подставив значение в исходное выражение получим

. (28)

При достаточно большой глубине F>>1 входное сопротивление определяется следующим образом:

, (29)

т.е. .

Влияние ОС по напряжению на R_ВЫХ

Для определения выходного сопротивления воспользуемся методом холостого хода и короткого замыкания.

Блок-схема усилителя с ОС по напряжению в режиме короткого замыкания представлена на рисунке 13.

Рис. 13 Блок-схема усилителя с ОС по напряжению в режиме короткого замыкания

Т.к. введена ОС по напряжению, то при холостом ходе R_Н→∞. Напряжение в этом случае определится:

. (30)

При коротком замыкании , следовательно, и , т.е. ОС будет отсутствовать и , а значение тока короткого замыкания будет зависеть от R_ВЫХ:

. (32)

Подставляем в исходное значение:

. (33)

Т.о. при введении ООС по напряжению R_ВЫХ усилителя уменьшается в глубину раз, т.е. по выходу усилитель начинает приближаться к идеальному генератору напряжения, что приводит к уменьшению влияния значения сопротивления нагрузки на уровень выходного напряжения.

При введении ПОС (в знаменателе «минус») R_ВЫХ возрастает и даже может стать отрицательным, что свидетельствует о неустойчивой работе усилителя.

Влияние ОС по току на выходное сопротивление

Для определения выходного сопротивления воспользуемся методом холостого хода и короткого замыкания.

Блок-схема усилителя с ОС по по току в режиме холостого хода представлена на рисунке 14.

Рис. 14 Блок-схема усилителя с ОС по току в режиме холостого хода

Т.к. введена ОС потоку, то при холостом ходе R_Н→∞. Напряжение в этом случае определится:

. (34)

Т.к. введена ОС по току, то при холостом ходе (K_УС→∞) ОС будет отсутствовать и U_ХХ будет определяться следующим образом:

. (35)

При коротком замыкании U_ВЫХ=0, но в выходной цепи начнет протекать ток и за счет падения напряжения на резисторе Rос включится ОС. Тогда напряжение определится следующим образом:

. (36)

Т.о. -это напряжение генератора, обеспечивающего выходной сигнал усилителя с учетом наличия ОС. Преобразовав выражение, получим:

, (37)

, (38)

, (39)

. (40)

Таким образом, при введении ОС по току происходит увеличение R_ВЫХ в глубину раз, усилитель начинает вести себя как генератор тока, т.е. обеспечивает постоянное значение тока в нагрузке, независимо от значения R_H.

Конкретные схемы усилителей с ОС

На рисунке 15 изображен усилительный каскад, охваченный последовательной отрицательной ОС по постоянному току.

Рис. 15. Усилительный каскад с последовательной ООС по постоянному и переменному току, где I_H – переменный ток,

I_K – постоянный ток.

Элементом, на котором выделяется U_OC является резистор R_Э. Для введения такого вида ОС конденсатор в цепи эмиттера не ставится. При этом, переменная составляющая тока нагрузки, которая на рисунке 11 показана пунктиром, протекает через R_Э, на этом резисторе будет выделяться напряжение, пропорциональное току нагрузки, т.е. выходному току.

Введенная отрицательная ОС изменит параметры усилителя – уменьшит коэффициент усиления, увеличит входное сопротивление, уменьшит частотные и нелинейные искажения, а также уменьшит шумы и нестабильность работы усилителя.

За счет резистора R_Э в данном усилителе всегда будет присутствовать отрицательная обратная связь по постоянному току, которая обеспечит стабилизацию положения рабочей точки.

На рисунке 16 приведена схема УК, охваченного параллельной ООС по переменному напряжению.

Рис.16. Усилительный каскад с параллельной ООС по напряжению

Сигнал, появляющийся на выходе усилителя, создает ток в цепи обратной связи, образованной резисторами R₁ и R₂. Резистор R₁ является элементом, на котором выделяется напряжение обратной связи. Ток в цепи обратной связи протекает по следующей цепи: коллектор транзистора – разделительная емкость – резистор R₂ – резистор R₁ – источник входного сигнала – общий провод (┴). За счет тока цепи ОС на резисторе R1 выделяется напряжение обратной связи, которое пропорционально выходному напряжению, поэтому обратная связь введена по напряжению. Фазовый сдвиг усилителя в области средних частот равен 180°, поэтому напряжение, выделяющееся на резисторе R₁ будет в противофазе с входным, следовательно, ОС будет отрицательной.

Дата добавления: 2014-01-06