Таким образом, если по отношению к устройству помеха, является внешней, т.е. поступает со стороны источника сигнала, то повысить отношение сигнал/помеха за счёт применения ООС не удается.

Кроме того, во всех своих рассуждениях мы предполагали, что ЦОС не шумит. Если же эти шумы существенны, то никаким увеличением глубины ОС не удается получить на выходе устройства уровень помех ниже уровня этих шумов.

1.7. Влияние обратной связи на нелинейные искажения

Введение ООС позволяет уменьшить нелинейные искажения, возникающие в усилителе. Физически это можно объяснить тем, что посторонние составляющие выходного напряжения или тока – гармоники и комбинационные частоты – по ЦОС поступают на вход усилителя и снова появляются на выходе, но уже в противофазе начальных (задающих) величин. При небольшом исходном коэффициенте гармоник допустимо усилитель считать линейным и тогда гармоники и комбинационные частоты изменяются так же, как и внутренние помехи (1.31) при сохранении одного и того же значения сигнала на выходе, т.е.

. (1.32)

Таким образом, при заданной величине сигнала на выходе ООС уменьшает в F раз коэффициент каждой гармоники (кроме первой !) и общий коэффициент гармоник. Если же задана допустимая величина нелинейных искажений, то действие ООС позволяет увеличить максимально допустимую амплитуду (мощность) сигнала на выходе.

Эти выводы становятся неверными при значительных нелинейностях. Опыты показывают, что в этом случае введение ООС может привести к ещё большем их увеличению.

1.7. Устойчивость устройств с обратной связью

Как уже отмечалось в разд.1.1 ООС широко используется в АЭУ для улучшения параметров и характеристик этих устройств. Из-за фазовых сдвигов, вносимых устройством и ЦОС ООС может оказаться положительной на краях полосы пропускания или вне её. В этом случае возможно самовозбуждение устройства, – появление на выходе напряжения при отсутствии сигнала на входе (автоколебания). Появление автоколебаний означает полный выход схемы из-под контроля, она не может выполнять свои прямые функции. Но даже если схема на возбудилась, но близка к этому состоянию, то её АЧХ и переходная характеристика заметно искажаются, это приводит к недопустимым ошибкам при воспроизведении сигнала.

В разд. 1.2 мы установили условия возникновения самовозбуждения:

и .

При проектировании системы с ОС мы должны дать ответ на два вопроса.

1.Устойчива ли данная система с ОС?

2.Насколько она устойчива (каков её запас устойчивости)?

Ответы на эти вопросы дают различные критерии устойчивости. Алгебраические критерии устойчивости (Рауса – Гурвица, Льенара – Шинара) опираются на некоторую модель устройства с ОС, применимость которой ограничена несколькими соображениями.

1. Любая модель есть упрощения реальности, если математическая модель допускает аналитическое решение, то это упрощение должно быть довольно существенным.

2. Даже при отсутствии сильных упрощений едва ли можно догадаться о существовании и оценить величины всех факторов, влияющих на устойчивость (например, индуктивность выводов УЭ, монтажная емкость, реактивные параметры источника сигнала и нагрузки и т.п.).

Кроме математических моделей существует реальная схема, доступная, гибкая, которая, в конце концов, есть лучшая модель самой себя. Почему бы не воспользоваться ею? Частотные критерии устойчивости (Найквиста, Боде) как раз основаны на работе с реальными АЧХ и ФЧХ основного устройства и ЦОС.

Критерий устойчивости Найквиста применим к системам с ОС, которые в разомкнутом состоянии сами по себе устойчивы, т.е. не содержат неустойчивых внутренних контуров.

Критерий Найквиста гласит, что устройство с ОС устойчиво, если годограф возвратного отношения T(jf) не охватывает точку с координатами (-1; 0) в области частот от 0 до (рис. 1.7).

Как и следовало ожидать, на устойчивость схемы влияют обе передаточные функции КПП K_e^*(jf) и ЦОС B(jf), т.к. .

В абсолютно устойчивой схеме (рис.1.7, а) фазовый сдвиг возвратного отклонения таков, что при любом значении модуля этого отклонения критическая точка (-1; 0) не охватывается годографом.

Рис. 1.7. Годографы Найквиста для различных устройств: а – абсолютно устойчивого;

б – условно устойчивого; в – неустойчивого

При условной устойчивости (рис.1.7, б) или устойчивости по Найквисту годограф T(jf) не охватывает критическую точку, но схема может перейти в автоколебательный режим (возбудится) не только из-за увеличения но и из-за уменьшения модуля возвратного отклонения T(f). Это может быть вызвано, например, уменьшением напряжения питания или перегрузкой усилителя сильным сигналом (помехой). После снятия возмущения усилитель останется в возбужденном состоянии. Чтобы не допустить возбуждения, в условно устойчивых схемах применяют автоматическую регулировку фазового сдвига (штриховая линия на рис. 1.7, б). Однако практическая реализация такой регулировки затруднительно, поэтому условно устойчивые системы стараются не применять.

В неустойчивых системах (рис. 1.7, в) годограф T(jf) охватывает критическую точку (-1; 0), но если уменьшить модуль возвратного отношения T(f) (штриховая линия на рис. 1.7, в), то точка (-1; 0) будет лежать вне годографа и система перейдет в устойчивое состояние.

Вследствие технологического разброса параметров элементов, входящих в основное устройство и ЦОС реальная форма годографа T(jf) отличается от построенного для номинальных (средних) значений параметров. Кроме того, параметры УЭ сильно зависят от температуры и режима питания. Поэтому годограф T(jf) должен

всегда проходить на некотором расстоянии от критической точки (-1; 0), чтобы обеспечить необходимый запас устойчивости по модулю и аргументу (фазе).

Запас устойчивости по аргументу Y равен углу между вещественной осью и прямой, соединяющей начало координат и точку пересечения годографа с окружностью единичного радиуса (рис. 1.8, а).

Запас устойчивости по модулю равен расстоянию между критической точкой (-1; 0) и точкой пересечения годографа с вещественной осью (рис. 1.8, б), т.е. разницей между единицей и модулем T(f) на той частоте, где связь стала положительной.

Если одновременно введем запас устойчивости по модулю и фазе, т.е. Y> 0 и точка годографа T(fп) лежит правее критической точки, то возбуждение возможно только при совместном увеличении модуля T(f) на X и изменение аргумента на угол Y.

Д
ля устройств на дискретных элементах рекомендуется запас по модулю дБ ( раз) и по аргументу , что соответствует углу . Если устройство реализовано в виде микросхемы, то обычно исходят из запаса по а

а

Рис.1.8. Запасы устойчивости по аргументу (а) и модулю (б)

ргументу , что соответствует углу , не вводя запаса по модулю (X= 0). Это объясняется тем, что фазовый угол может не всегда достигаться и частота f_п – не всегда существовать.

Таким образом, положительный запас устойчивости по фазе (Y>0) означает, что схема работает устойчиво, а отрицательный или нулевой запас (Y0), что схема неустойчива. Аналогично запас устойчивости по модулю больший единицы соответствует устойчивой схеме, и наоборот. Так как практически запас устойчивости по фазе определить очень трудно, то об относительной устойчивости схемы судят по форме её АЧХ и переходной характеристике (разд. 4.4).

2. Режимы работы и цепи питания усилительных элементов

2.1. Режимы работы усилительных элементов

2.1.1. Режим А

УЭ в каскаде может работать в различных режимах по постоянному току. Произведем сравнение этих режимов по коэффициенту гармоник и коэффициенту полезного действия (КПД).

Режимом А называют такой режим, при котором ток в выходной цепи УЭ течет в течении всего периода сигнала и крайние положения рабочей точки не выходят за пределы прямолинейной части ДХ.

Д
ля обеспечения такого режима для гармонического или импульсного двухполярного сигналов необходимо точку покоя выбирать на середине линейного участка используемой ДХ (рис.2.1). В силу этого, а так же из-за ограничения величины входного сигнала ( на рис.2.1), форма выходного тока практически будет повторять форму входного напряжения. Таким образом, основным достоинством режима А является малые нелинейные искажения.

О

Рис.2.1. Диаграмма работы транзистора в режиме А

днако, из всех режимов работы режим А имеет самый низкий КПД. Это объясняется тем, что потребляемый от источника питания ток ( ) имеет большую величину, независящую от уровня сигнала. Поэтому УЭ в режиме А потребляет значительную мощность от источника питания, что и обуславливает низкий КПД. Какой максимальный КПД можно получить в режиме А ?

, (2.1)

где (2.2)

- мощность первой гармоники выходного сигнала; - амплитуды первых гармоник выходного напряжения и выходного тока;

(2.3)

- мощность потребляемая от источника питания коллекторной цепью транзистора.

С учетом (2.1), (2.2) и (2.3), получим

(2.4)

где (2.5)

- коэффициент использования выходного напряжения;

(2.6)

- коэффициент использования выходного тока.

Так как вне зависимости от режима работы, а в режиме А и то в режиме А

Таким образом, в режиме А максимальный КПД не превышает 50%, в силу чего он нашел применение, в основном, в каскадах предварительного усиления и практически не используется в выходных каскадах.

2.1.2. Режим В

Режимом В называют такой режим, при котором ток в выходной цепи УЭ существует в течение половины периода сигнала.

Д
ля осуществления такого режима необходимо рабочую точку (точку покоя) выбрать на нижнем конце идеализированной (спрямленной) ДХ (рис.2.2), для чего во входную цепь подают небольшое напряжение смещения. Из рис.2.2 следует, что в случае идеальной ДХ и подаче на вход косинусоидального напряжения, ток в выходной цепи прекратится в точке