L_8 (Конспекты лекций), страница 2

Последовательная обратная связь по току.UвхUcUвхUвыхУсилительZнUcUвыхУсилительZнRосRосUосUосРис.8.6Рис. 8.7..Последовательная ОС току (рис.8.6) ─ это когда напряжение обратнойсвязи (Uос) будет изменяться пропорционально току нагрузки, а по отношению к входному сигналу напряжение ОС подключается последовательно систочником входного сигнала (U с ). Например, в лекции 5, в схеме усилителя(рис.5.8) при разомкнутом ключе «К» действует последовательная ООС попеременной составляющей тока ( и по постоянной тоже).Параллельная обратная связь по току.Параллельная обратная связь по току (рис.8.7) ─ это когда напряжениеобратной связи (Uос) будет изменяться пропорционально току нагрузки, а поотношению к входному сигналу напряжение ОС подключается параллельно систочником входного сигнала (U с ).2.5.

Смешанная обратная связь: используется комбинация первых двухспособов, при этом напряжение обратной связи содержит две составляющие,пропорциональные напряжению и току.Обозначения на структурных схемах усилителей (рис.8.4….8.7):Усилитель − усилитель напряжения звуковой частоты;ЭОС − элемент обратной связи (или цепь обратной связи − ЦОС);Z н − сопротивление нагрузки усилителя;U с − напряжение источника входного сигнала;U вх − напряжение на входе усилителя;U вых − напряжение на выходе усилителя;U ос − напряжение обратной связи на выходе элемента обратной связи.Напряжение обратной связи, в зависимости от схемного решения цепи обратной связи, может быть в фазе или в противофазе с входным сигналом. Результатом воздействия на работу усилителя, в том и другом случаях, будет изменение одного из главных показателей усилителя − коэффициента усиленияпо напряжению усилителя, который показывает, во сколько раз напряжение навыходе больше напряжения на входе, поэтому есть смысл рассмотреть коэффициенты усиления по напряжению в схемах с обратными связями и без них.Назовем коэффициент усиления напряжения усилителя без обратнойсвязи коэффициентом прямой передачи и обозначим его через «К», а коэффициент усиления напряжения в усилителе с обратной связью обозначимчерез «К ос », который в общем случае имеет комплексный характер:К=UК ос =вых ,UвхU вых.U с ±U ос(8.1)Чтобы оценить, какая часть напряжения с выхода через цепь обратнойсвязи попадает на вход усилителя, введём понятие коэффициента передачицепи обратной связи − γ:γ =UUосвых.(8.2)Пределы изменения γ от 0 до + 1 − при положительной обратной связи иот 0 до − 1 − при отрицательной обратной связи.Чем больше γ, тем глубже обратная связь.

Напряжение обратной связи(U ос ) в общем случаеUос= ± γU выхПри наличии обратной связи в усилителе на его вход поступает суммадвух напряжений: напряжение обратной связи и напряжение от источникасигнала:UUвхвх= U ос + U с ;= U с + (± γ U вых);U = U вх − (± γ U вых) ;сКос=UКвых=U − (± γ U вых) 1 − (± γ К )вх(8.3)Если напряжение обратной связи окажется в фазе со входным сигналом,то такую обратную связь принято называть положительной (автогенераторы,компараторы работают с положительной обратной связью).

При положительной обратной связи (ПОС) общий коэффициент усиления увеличивается.Если напряжение обратной связи окажется в противофазе с входнымсигналом, то такую обратную связь принято называть отрицательной − ООС(усилители, операционные усилители и пр.).Произведение «±γ К» называется фактором обратной связи, его знаксовпадает со знаком обратной связи; при положительной обратной связизнаменатель дроби уменьшается, а коэффициент усиления увеличивается,при отрицательной обратной связи знаменатель дроби увеличивается, а коэффициент усиления уменьшается.Если фазовый сдвиг между напряжениями U с и U ос будет равен «π», то вэтом случаеКос=К1+γ К.(8.4)И, следовательно, коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, уменьшается в (1 + γ К )раз по сравнению с ко-эффициентом усиления без ОС.

В тех схемах, где используется глубокаяООС коэффициент усиления усилителя практически не зависит от параметров усилительного тракта, так как произведение «Кγ» в этом случае значительно больше единицы, поэтомуКос=1КК≈= .1 + Кγ Кγ γПримером 100% ООС являются эмиттерный и истоковый повторители.Таким образом, коэффициент усиления усилителя определяется толькопараметрами цепи ОС, что и определяет высокую стабильность коэффициента усиления: цепь обратной связи выполняется на пассивных элементах,электрические параметры которых более постоянны, нежели параметрытранзистора, поэтому величину «γ» будем считать величиной постоянной.В процессе эксплуатации параметры транзистора сильно изменяются, аэто приводит к тому, что и параметры усилительного каскада, связанные спараметрами транзистора, также изменяются.

Например, при изменении температуры окружающей среды или напряжений источников питания изменяется коэффициент усиления усилителя.Изменение коэффициента усиления усилителя без ООС можно оценитьотносительной величиной dК/К, в усилителях с ООС − величиной dК ос /К ос .Величину «γ» считаем постоянной, а значение «dК ос » можно найти простымдифференцированием уравнения по «К»dК2ос = dК /(1 + Кγ ) = dК 1КК /(1 + Кγ )К 1 + КγосНа первый взгляд для усилителя это явление − уменьшение коэффициента усиления − нежелательное, но дело в том, что именно ООС обеспечивает схеме усилителя стабильность коэффициента усиления по напряжению.Коэффициент усиления усилителя подвержен влиянию многих факторов (непостоянство напряжения источников питания, изменение температуры, ста-рение элементов схемы, влажность, давление и пр.), поэтому схема усилителя должна отслеживать изменения режима работы и отрабатывать их.Сущность стабильности коэффициента усиления усилителя, охваченного ООС, заключается в следующем.

Если за счет перечисленных факторовпроизошло увеличение коэффициента усиления на величину ∆К, то напряжение обратной связи увеличится на соответствующую величину ∆U ос , а, следовательно, напряжение на входе усилителя U вх уменьшится. Если же произошло уменьшение усиления, то напряжение обратной связи уменьшится, анапряжение на входе усилителя возрастет.Пример. В усилителе, охваченном отрицательной обратной связью(ООС), известно: коэффициент усиления усилителя без ООС равен К = 100;коэффициент передачи обратной связи γ = 0,2.Требуется определить, как изменится коэффициент усилителя при наличии ООС, если коэффициент усиления К прямой передачи (без ООС) увеличился на 50 %.Коэффициент усиления при наличии в схеме усилителя ООСКос=К1+γ К=100= 4,76 .1 + 0,2 × 100Новое значение коэффициента усиления усилителя с ООС при изменении собственно коэффициента усиления усилителя на 50 %Кос=100 + 50= 4,8 .1 + 0,2 × 150Расчет показывает, что при изменении коэффициента усиления усилителя без ООС на 50 %, коэффициент усиления усилителя с ООС изменился всего лишь на 0,04, что практически не скажется на работе усилителя, то естьООС действительно обеспечивает стабильность параметру «К».Вывод.

ООС в усилителе препятствует любому изменению величиныкоэффициента усиления напряжения и этим оправдано ее применение в усилительных устройствах. За счет ООС в схемах удается отслеживать и корректировать положение рабочей точки усилителя на ВАХ, а, следовательно, иизменения коэффициента усиления усилителя. Вообще, ООС улучшает всехарактеристики и параметры усилителя.4.

Каскодные схемы.В лекции № 6 рассматривались согласующие свойства усилительныхкаскадов на биполярных и полевых транзисторах на средних частотах. Но сповышением частоты режим транзистора меняется, так как на его работу начинают оказывать паразитные ёмкости.

На рис.8.8 показаны три ёмкости, которые проявляются у транзистора в высокочастотном диапазоне.+EкCкб=CпроходнаяRкVTVT2Cкэ=CвыхCк1Cбэ= CвхCк2 +Eсм_+U*VT1UвхРис.8.8U0к + UвыхRэ- ЕэРис.8.9.Проходная ёмкость (С кб ) показана крупным планом, так как именно этаёмкость оказывает наибольший вред работе транзистора в режиме усиленияна высоких частотах: проходная ёмкость вызывает увеличение входной ёмкости, что, в свою очередь, нарушает работу источника входного сигнала.Это явление получило название эффекта Миллера (лекция № 4). В режимеключа это явление затрудняет переключение транзистора.

Для количественной оценки степени влияния проходной ёмкости вычисляют эквивалентнуювходную ёмкостьСвх.экв= С вх + С кб ( К + 1),где «К»─ коэффициент усиления по напряже-нию. Следовательно, величина С вх.экв пропорциональна коэффициенту усиления.На рис.8.9. дана схема, которая свободна от названного недостатка. Этасхема получила название каскодной.В схеме каскода используются два транзистора, которые соединены последовательно, поэтому токи через них будут одинаковыми.Транзистор VT 1 в схеме каскода включен по схеме с ОЭ, а транзисторVT 2 ─ по схеме с ОБ.

Напряжение смещения Е см обеспечивает транзисторамактивный режим. Такое включение транзисторов является одним из вариантов схемы составного транзистора. Определим коэффициент передачи токаэмиттера в таком включении транзисторовIк2= α 2 I э2 = α 2 I к1 = α 2 (α 1 I э1).Разделим ток коллектора транзистора VT 2 на ток эмиттера транзистораVT 1 , получаем α = α 1α 2 .Вывод. Коэффициент передачи тока эмиттера при каскодном соединении отличается незначительно от коэффициента передачи тока эмиттератранзистора в обычной схеме включения с ОЭ.Коэффициент усиления по напряжению в каскодной схеме тоже «не пострадал».

Но главное преимущество каскодной схемы перед обычным усилителем выразилось в том, что удалось «развязать» точку выхода (коллектортранзистора VT 2 ) и точку входа (база транзистора VT 1 ): в обычном усилителена транзисторе с ОЭ эта связь выхода с входом происходила за счёт ёмкостиС к и сопротивления r к . Такая развязка состоялась потому, что база транзистора VT 2 находится под постоянным потенциалом Е см : напряжение источника смещения можно считать напряжением питания коллекторной цепитранзистора VT 1 . Следовательно, нагрузкой этого транзистора будет низкоомный прямосмещённый p-n-переход транзистора VT 2 , и получается, чтотранзистор VT 1 работает в режиме короткого замыкания по коллекторной цепи. При таких условиях коэффициент усиления по току транзистора VT 1 близок к нулю и входная ёмкость этого транзистора равна собственной проходной ёмкости.

С к1 Таким образом, каскодная схема свободна от эффектаМиллера.Выходное напряжение вызывает протекание тока через ёмкость С к2 ,но этот ток не попадает в коллекторную цепь транзистора VT 1 : этот токзамыкается через источник смещения Е см на землю. Таким образом, междувходом и выходом отсутствует обратная связь и причина, по которой может произойти самовозбуждение усилителя, почти устраняется. Благодаря этому каскодные схемы широко используются в аналоговой интегральнойтехнике как на биполярных, так и на МОП-транзисторах (резонансные усилители, источники тока с большим внутренним сопротивлением)..