М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 13
Текст из файла (страница 13)
выходного сигнала Для измерения КИВМ требуется, конечно, подавление двух частот основных колебаний, а не одной частоты, как это было в случае измерения ПКНИ, и для этого можно воспользоваться либо спектроанализатором, показываюшим в отдельности кажлый компонент спектра, либо демодулятором, наподобие детектора радиоприемника, для измерения всех продуктов взаимной модуляции разом. Стоит заметить, что при измерении КИВМ мы не получаем, в принципе, никакой дополнительной информации по сравнению с тем, что известно из измерений ПКНИ; обе величины представляют собой лишь различные способы выражения нелинейности усилителя. Однако на практике может оказаться невозможным провести точные измерения искажений гармонического сигнала на верхних частотах, когда гармоники выходят за пределы полосы пропускания усилителя или измерительного прибора.
В таком случае измерения по взаимной модуляции могут дать более точную картину нелинейности на высоких частотах. 4.5.4 Расчет эффективного значения сигналов, возникающих в результате искажений Для получения полного представления о сигналах, возникающих в результате искажений, независимо от того, являются они гармониками, порохсденными единственной частотой, или компонентами суммарной и разностной частоты от двух сигналов, можно выбирать отдельные частоты с помошью перестраиваемого узкополосного фильтра или спектроанализатора. Такой прибор дорог, но он дает возможность отличать гармоники от шума, который может быть значительным при проведении измерений с малыми значениями выходного сигнала. Спектроанализатор показывает также, определяются ли искажения, главным образом, низшими гармониками (второй и третьей) или гармониками высших порядков, которые субъективно более неприятны при воспроизведении звука.
Если гармоники измеряются в отдельности, и уо ря е4 и т.д.— измеренные эффективные (действуюшие) значения второй, третьей, четвертой и т.д. гармоник, то Нелинейные искажения '7! ПКНИ = х 100%, где Р; — величина основного колебания, которая чаще всего бывает единственным значимым слагаемым в знаменателе. Подобным же образом можно объединить продукты взаимной модуляции, чтобы найти их эффективное значение и величину КИВМ в процентах. 4.5.5 Искажения и отрицательная обратная связь Как следует из приведенного выше рассмотрения, нелинейные искажения можно считать результатом нежелательного добавления усилителем новых компонент к исходному сигналу.
Приводимый ниже расчет показывает, что отрицательная обратная связь уменьшает искажения во столько же раз, во сколько палает коэффициент усиления. Рассмотрим усилитель на рис. 4.5 с равным А, коэффициентом усиления без обратной связи и искажающим сигналом б, на выходе до включения обратной связи, то есть без нее: ~ аы '~0~ |п + ~О Рнс. 45. Искажаюшнй усилитель е отрннатеньной обратной связью Пусть теперь замыкается петля отрицательной обратной связи с коэффициентом пропорциональности -В между выходным сигналом и сигналом, подаваемым на вход.
Если и — напряжение сигнала на входных кяеммах усилителя при наличии обратной связи, то 72 Отрицательная обратная связь = Аое+ Ро где = м-Ф .м Поэтому ~,„, = А, (им —,0и, ) + Ро. Выполняя преобразования, получим ~,„, (1+ рАо) = Ао~,„.ь Ро. Следовательно, Ао Ро 1+ )УА, '" 1,0А (4.4) или (4.5) 1,„, = А1,„+Р, где А = Ао/(1+ 0Ао) — коэффициент усиления напряжения с обратной связью и Р = Ро/(1+,0Ао) — величина искажающего сигнала на выходе при наличии отрицательной обратной связи. Мы видим, таким образом, что в случае, когда усилитель охвачен отрицательной обратной связью„искажения уменьшаются в (1+/)Ао) раз, но при этом входной сигнал должен быть увеличен во столько же раз, чтобы поддержать основной выходной сигнал на прежнем уровне.
На первый взгляд это может показаться бессмысленным упражнением, но только до тех пор, пока не становится ясным, что фактически все искажения порожлаются в оконечном каскаде усилителя, которому только и приходится иметь дело с большими сигналами, Использование второго усилителя для увеличения входного сигнала в (1+ 0Ао) раз не внесет существенного вклада в общий уровень искажений, так как на этом этапе преобразования речь идет об усилении только малых сигналов. Дополнительное усиление напряжения является недорогой платой за малые искажения, так что это стоящий обмен.
Трудно спроектировать усилитель мощности с полным коэффициентом нелинейных искажений менее 1% без обратной связи, тогда как отрицательная обратная связь делает значения, меньшие 0,0!%, обычными ши высококачественных усилителей звукового диапазона. Хотя отрицательная обратная связь и выглядит панацеей от всех «болячек» усилителя, важно отметить, что она эффективна только до тех пор, пока коэффициент усиления А, без обратной связи остается много больше, чем коэффициент усиления А с обратной связью. Это условие может не выполняться на высоких частотах, где шунтирующее действие оказывает емкость, особенно значительная у мощных транзисторов.
По этой причине Неустойчивость и отрицательная обратная связь 73 часто в усилителях звукового диапазона искажения возрастают на частотах выше 10 кГц. Второй, может быть, более очевидной причиной внезапно наступающего уменьшения усиления без обратной связи является перегрузка усилителя, когда выходной каскад либо входит в режим отсечки, либо насыщается на части периода сигнала. В условиях отсечки и насыщения выходной сигнал больше не реагирует на входное воздействие: коэффициент усиления падает до нуля и никакая отрицательная обратная связь не может скорректировать наступающие при этом искажения. Вот почему особенностью усилителей с обратной связью является тот факт, что перегрузка наступает очень резко и совершенно внезапно начинаются искажения.
Менее очевиден пример того, как падает усиление без обратной связи при искажениях типа «ступеньки», показанных на рис. 4.4(с). В плохо спроектированном усилителе искажения такого рода могут быть настолько сильными, что коэффициент усиления фактически падает до нуля в точках перехода сигнала через ноль. При этом отрицательная обратная связь не вносит улучшений, н результирующие искажения доставляют особенно много неприятностей при воспроизведении звука, так как содержат гармоники высших порядков (вплоть до 7-й, 8-й, 9-й и выше) при низком уровне основного сигнала, «Обычный порядок» в электронике оказывается перевернутым с ног на голову, и сигнал становится искаженным тем в большей степени, чем меньше его амплитуда.
4.б Неустойчивость и отрицательная обратная СВЯЗЬ Говоря об усилителе с отрицательной обратной связью, мы предполагали, что значение,ВА« отрицательно на всех частотах. Если,ВАь становится положительным, то мы возврашаелься к формуле для коэффициента усиления с обратной связью в общем случае: А= 1 —,ВАо из которой следует, что величина А становится бесконечной и усилитель генерирует при ВА« =1. Величина ВА может стать положительной, как правило, вследствие изменения знака А, на высоких частотах, когда сдвиг по фазе между выходным и входным сигналами из-за паразнтных емкостей доходит до 180 .
Максимальный фазовый сдвиг в цепи, состоящей из одного резистора н одного конденсатора, равен 90', так что общий подход к решению проблемы фазовых сдвигов состоит во включении корректирующего конденсатора сравнительно большой емкости, действие которого на характеристику в области высоких частот является преобладающим и обеспечивает гладкий спад усиления. (Говорят, что усилитель обладает характеристикой первого порядка, 74 Отрицатеньнал обратная связь когда при каждом удвоении частоты усиление падает на 6 дБ. При такой характеристике максимальный фазовый сдвиг равен 90'.) На частотах, где набег фазы из-за паразитных емкостей доходит до 180', спад усиления за счет корректирующего коиденсатоРа оказываетсЯ столь змачительным, что 7ьчь « ! и Усилитель не может возбулиться. Именно такой способ коррекции приводит к быстро падающей частотной характеристике усилителя без обратной связи, как это имело место для микросхемы 741 (см, рис.
4.3). Описанный подход к проблеме устойчивости в области высоких частот представляет собой частный случай применения важного принципа, известного под названием критерия устаичивасти Найквиста, всегда используемого при анализе систем с обратной связью. Подробнее этот вопрос разбирается в параграфе 7.7 в главе, посвяшенной усилению в области высоких частот. 4.7 Обратная связь по току Обсуждение отрицательной обратной связи в данной главе было сосредоточено на обратной связи по напряжению, так как это самый простой случай.
Иногда встречается обратная связь по току, у которой основные характеристики те же, что и у обратной связи по напряжению, в том, что касается стабилизации усиления н уменьшения искажений. В простейшем виде обратная связь по току имеет место в каскаде усилителя, когда в цепь эмиттера или истока включен резистор (см„например, рис. !.20 н 2.7). Обычно резистор в цепи эмитгера нли истока бывает шунтирован конденсатором большой емкости, чтобы на нем не возникало напряжение сигнала.
Но если этот блокировочный конденсатор убрать, то на резисторе в цепи эмиттера или истока появится переменное напряжение, которое складывается с входным сигналом. На рис. 4.6 показан каскад усилителя на биполярном транзисторе с не шунтнрованным резистором в эмиттере; как видно из схемы, входной сигнал больше не прикладывается непосредственно к переходу база-эмиттер, а «должен пройти через Я,ь. Теперь на резисторе К в дополнение к постоянной разности потенциалов, обусловленной эмитгерным током покоя, появляется переменное напряжение, пропорциональное переменной составляющей эмиттерного тока.
В этом случае во входную цепь вводится напряжение сигнала, пропорциональное выходному таку. Полагая приближенно коллекторный и эмиттерный токи одинаковыми, находим, что доля выходного сигнала, подаваемого на вход, равна,д = Я / Яс Следовательно, для коэффициента усиления с обратной связью справедливо приближенное равенство 1 Рс А = — = — '. ,() Яь Такой тип обратной связи по току представляет собой простейший способ использовать желательные свойства отрицательной обратной связи в пределах одного каскада усилителя.
Эксперименты с отрицательной обратной связью 75 Рнс. 4.б. Резистор в эмнтзере, не шунтнрованный конденсатором, дает обратную связь по току. Полезно, межлу прочим, отметить, что сигналы на резисторах й и й, сдвинуты по фазе на 180', так что напряжение на К вЂ” в фазе с входным сигналом, Поэтому с резисторов й, и й можно снять два выходных сигнала в противофазе. Если сопротивления й, и й сделать равными, то оба упомянутых сигнала будут равны по величине; такую схему часто называют схемой расщепления фазы. Иногда полное сопротивление й шунтируют частично, применяя два последовательно включенных резистора и подключая блокировочный конденсатор параллельно лишь одному из них. Полное сопротивление в цепи эмиттера определяется режимом усилительного каскада по постоянному току, а доля сопротивления в эмиттере, которая не шунтируется емкостью, выбирается так, чтобы получить подхоляшее значение,О, обеспечив требуемое усиление с обратной связью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
