Шамшин В.Г. Основы схемотехники (2008), страница 4

Эффективность стабилизации последнегоможно получить, продифференцировав соотношение 2.3 по К. После дифференцирования получимDK DK FDK =×.FKF26(2.14)2.4. Устойчивость усилителей с обратной связьюИз рассмотрения влияния на параметры усилителей положительной обратной связи следует, что при βК ≥ 1 коэффициент усиления становится бесконечно большим. При этом любые ничтожно малые изменения входногосигнала приводят к появлению на выходе сигнала, близкого к уровню насыщения.

Такой эффект работы усилителя носит название самовозбуждения, вкотором усилитель не способен усиливать полезный управляющий сигнал.Поскольку в реальных условиях цепи обратных связей также имеют определенные фазовые сдвиги, то за пределами рабочего диапазона частот введенная отрицательная обратная связь может превратиться в положительную.При этом в лучшем случае на определенных частотах произойдет повышениекоэффициента усиления, а в худшем – нарушение устойчивости усилителя.Из этого следует, что при использовании многопетлевых цепей отрицательных обратных связей необходимо в процессе проектирования производитьпроверку усилителя на устойчивость.Основными методами проверки усилителей на устойчивость являетсяиспользование критериев устойчивости Найквиста, Ризкина, диаграмм Боде.Рис. 2.7. Диаграммы Найквиста и РизкинаКритерий устойчивости Найквиста основывается на анализе амплитудно-фазовой характеристики βК = F (ω).

Согласно данному критерию усилитель считается устойчивым, если при изменении частоты сигнала 0 < ω < ¥годограф амплитудно-фазовой характеристики βК (кривая 1, рис.2.7,а) приразомкнутой цепи обратной связи не охватывает точку с координатами(-1,j0). В противном случае, если же годограф охватывает эту точку, то усилитель будет неустойчивым (кривая 2 рис.2.7,а).Согласно методу А.Ризкина проверка усилителя на устойчивость производится с помощью векторной диаграммы, в которой все величины, вхо11дящие в (), представляются обратными векторами · = · + b (рис.2.7,б).KF KВектор 1/ KF представляет собой сумму векторов 1/K и β, длина которого приизменении частоты будет различной.

Так на частоте ω1 суммарный вектор27больше вектора 1/K, следовательно, обратная связь на этой частоте отрицательна. На частоте ω2 суммарный вектор становится меньше вектора 1/K,следовательно, обратная связь на этой частоте положительна и усилительможет потерять устойчивость.Более простым методом оценки усилителей, особенно многокаскадных,является метод Боде, который основывается на анализе амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик обратной связи (рис.2.8), построенных влогарифмическом масштабе.Рис.

2.8. Диаграммы БодеСогласно данному методу система является устойчивость, если на частоте, где возвратное отношение βК равно единице, суммарный фазовыйсдвиг не равен –π.Вопросы к самопроверке1. Привести определение обратной связи.2. Назвать основные признаки классификации обратных связей.3. Привести параметры цепи обратной связи.4. Привести структурные схемы обратных связей.5.

Объяснить влияние отрицательной обратной связи на амплитуднуюхарактеристику усилителя.6. Объяснить влияние отрицательной обратной связи на амплитудночастотную характеристику усилителя.7. Объяснить влияние обратных связей на коэффициент усиления.8. В чем различие положительной и отрицательной обратных связей?9. Объяснить понятие устойчивости усилителя.10. Объяснить особенности оценки устойчивости усилителей.283. Режимы работы усилительных каскадов3.1. Принцип работы усилителяЛюбой усилительный каскад содержит активный элемент (транзистор,электронную лампу), нагрузочный элемент (резистор, дроссель, трансформатор) в его выходной цепи, подключенные к источнику постоянного тока Ео.Поскольку активный элемент обладает внутренним сопротивлением R, то онв совокупности с сопротивлением нагрузки представляют собой делительнапряжения (рис.3.1).Рис.3.1. Принцип построения усилительного каскадаПри отсутствии сигнала управления Uу в цепи протекает ток Iо, величина которого определяется Ео и сопротивлениями резисторов.

При воздействии на регулируемый резистор управляющего напряжения uу=Um·sinωt егосопротивление изменяется, вызывая изменение и протекающего в цепи тока.В результате общий ток представляет собой сумму постоянного и переменного токов. Эта переменная составляющая тока создает соответствующее падение напряжение на резисторе Rп, являющееся выходным напряжением. Израссмотренного следует, что принцип действия усилителя сводится к перераспределению напряжения питания между внутренним сопротивлением активного элемента и сопротивлением резистора в его выходной цепи.

Даннаясхема может считаться усилителем, так как напряжение управления меньшевыходного.Таким образом, процесс усиления заключается в преобразовании энергии источника питания в выходную энергию за счет изменения сопротивления регулируемого сопротивления по закону, определяемому сигналомуправления. При этом амплитуда выходного напряжения пропорциональнаамплитуде управляющего (входного) сигнала.В реальной схеме усилительного каскада (рис.3.2) в качестве регулируемого сопротивления используются активные элементы (электронные лампы, транзисторы), в выходной цепи которых установлен постоянный резистор Rк.

Значения протекающих токов через электроды транзистора и уровней потенциалов на них определяются параметрами источника питания и активного элемента. Для задания необходимого начального тока базы Iбо транзистора во входную цепь введен вспомогательный источник питания Еб, определяющий соответственно и начальный ток коллектора Iко.29Рис. 3.2. Схема усилительного каскадаРассмотрение работы каскада в режиме холостого хода (Rн →∞) производится графо-аналитическим методом с использованием выходных характеристик активного элемента. При отсутствии входного сигнала (Еу=0) во всехцепях схемы протекают постоянные токи, поэтому данный режим называетсястатическим.Статический режим – режим, при котором во всех цепях схемы протекают постоянные токи, потенциалы всех узлов такжепостоянны.В этом режиме работы для выходной цепи каскада (источник питания,коллектор - эмиттер транзистора) справедливо соотношениеЕо = Uкэ + Iк·Rк,(3.1)которое является уравнением прямой линии MN.

Построение этой прямойпроизводится по двум точкам, характеризующим режимы короткого замыкания (Uкэ = 0 и Iк = Eo/Rк) и холостого хода (Uкэ = Ео и Iк=0). Данная прямаялиния носит название статической линии нагрузки. Линия нагрузки позволяет определить для каждого значения входного тока Iб соответствующие значения напряжения Uкэ и выходного тока Iк при выбранном сопротивлениинагрузки в цепи коллектора Rк и напряжении источника питания Eо.Статическая линия нагрузки – графическоеотображение связей токов и напряжений вцепи электрической схемы.30Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой транзистора, соответствующей заданному входному току I6о (точка А), определяет режимработы каскада по постоянному току.

Эта точка носит название точки покояили рабочей. Ее координаты показывают значения тока коллектора Iко и напряжения коллектор – эмиттер Uко в статическом режиме.Рабочая точка – точка пересечения статической линии нагрузки и заданной или определенной вольтамперной характеристики активного элемента.В режиме усиления, когда uвх=Uвхm sinωt, рабочая точка перемещаетсявдоль линии нагрузки относительно точки А, определяя тем самым переменные составляющие тока коллектора Iк= Iкm и напряжения UКЭ = Uкm. Режимработы каскада при изменяющихся во всех его цепях токов и потенциаловназывается динамическим.

В режиме холостого хода (Rн→∞) статическая идинамическая линии нагрузок совпадают.При подключении к каскаду внешнего сопротивления нагрузки Rн величина сопротивления в цепи коллектора по переменному току будет представлять результирующее сопротивление, равное параллельному соединеRRнию Rк и Rн R 'к = к н .Rк + RнРис. 3.3. Динамический режим работы усилительного каскадаТак как сопротивление R'к меньше Rк, то рабочая точка будет перемещаться по динамической линии нагрузки, уравнение которой31Rк Rн. При активном характере сопротивления нагрузки динамиRк + Rнческая линия нагрузки также будет прямой линией, угол наклона которой равен φ= ctgR'к.

Динамическая линия нагрузки проходит через рабочую точкуА, так как в отсутствие сигнала в режиме покоя выходной ток Ikm = Iко. Амплитуды выходного тока и напряжения определяется по конечным точкамперемещения рабочей точки по динамической линии нагрузки.Duкэ = Diкэ3.2. Классы работы усилительных каскадовВ зависимости от назначения усилителя и требуемых энергетическихпоказателей, а также от уровня управляющего сигнала усилительному каскаду может быть установлен определенный класс работы.