Краткие лекции по ЭиМ (1166441), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В частности,уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частоткоэффициент усиления оказывается не зависящим от частоты и т. д.Классификация обратных связей в усилителяхРазличают следующих 4 вида обратных связей в усилителе (рис. 2.9):- последовательная по напряжению (а);- параллельная по напряжению (б);- последовательная по току (в- параллельная по току (г).На рис. 2.9 обозначено: К — коэффициент прямой передачи, иликоэффициент усиления усилителя без обратной связи; β— коэффициентпередачи цепи обратной связи.Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить»нагрузку.
Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то этоОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль — то это ОС потоку. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи,поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходномунапряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связипропорционален выходному току. При последовательной обратной связи(сосложениемиспользуетсянапряжений)вкачествесигналаобратнойсвязинапряжение, которое вычитается (для отрицательнойобратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. Припараллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигналаОглавлениеобратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнеговходного сигнала.Анализ влияния отрицательной обратной связи на примерепоследовательной обратной связи по напряжениюРассмотрим влияние ООС на примере усилителя, охваченногопоследовательной обратной связью по напряжению (рис.
2.10).Рис. 2.10В структурную схему входит цепь прямой передачи и цепь обратнойсвязи (цепь обратной передачи). Предполагается, что указанные цепилинейные.Наусилительсобратнойсвязьюподаетсявнешнийсинусоидальный входной сигнал ивх\, а на цепь прямой передачи — сигнали^. Цепь прямой передачи характеризуется комплексным коэффициентомусиления по напряжению Ки (коэффициентом прямой передачи):Uis _ w вых Л.."Uвх2где и„2, йвых — соответственно комплексные действующие значениянапряжений ивх2 и ивых.Цепь обратной связи характеризуется комплекснымкоэффициентом обратной связи 0:выхгде Uoc — комплексное действующее значение напряжения обратнойсвязи иосКоэффициент усиления усилителя, охваченного обратной■ связью.Этот коэффициент Киос определяется по формулегде Uexl — комплексное действующее значение напряжения ивх{.Легко заметить, чтоТаким образом,Величину1+Р•А^ыназываютглубинойобратнойсвязи(коэффициентом грубости схемы), а величину р • КиПоэтому называют петлевым усилением.
Если глубина обратнойсвязи достаточно велика, то 1Р-К.1»! иОглавлениеОтсюда можно сделать следующий очень важный вывод: еслиглубина отрицательной обратной связи достаточно велика, то коэффициентусиления усилителя, охвачен- ' • ного обратной связью Киос, зависит толькоот свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств цепи прямойпередачи.Вцепипрямойпередачииспользуютсяактивныеприборы(транзисторы, операционные усилители и т. д.), которые обычно неотличаются высокой стабильностью параметров.
Из-за этого и коэффициентявляется нестабильным. Но если используется глубокая отрицательнаяобратная связь и в цепи обратной связи применяются высокостабильныепассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т. д.), то общийкоэффициент усиленияКиос оказывается стабильным.Даже если глубина обратной связи не настолько велика, что можнопренебрегать единицей^ выражении1 + Р • Ки, отрицательная обратная связь, как можно показать,уменьшает нестабильность коэффициента Киос.Важно уяснить, что сделанный вывод справедлив независимо от того,какие-дестабилизирующие факторы влияют на изменение величины Ки(температура, уровень радиации и т.
д.).Частотные характеристики усилителя, охваченного обратнойсвязью.Еслирассуждатьформально,топриналичиичастотныххарактеристик для и р частотныеИ тем не менее очень поучительно более детально рассмотреть вопросвлияния отрицательной обратной связи на частотные свойства усилителя.Пусть коэффициентыхарактеристики для Киос оказываются однозначно определеннымивыражениемКиос — вещественный. Будем для этого случая использоватьобозначения Ки, Р и Кцос Пусть в некотором частотном диапазонекоэффициент Ки изменяется в пределах от 10000 до 1000 (на 90 % поотношению к значению 10000), а коэффициент Р является постоянным, Р =0,1. Тогда в соответствии с формулой для Киос окажется, что Киос будетизменяться в пределах от 9,99 до 9,9 (примерно на 1%). Таким образом,изменение коэффициента усиления после введения отрицательной обратнойсвязи станет значительно меньшим.Важно уяснить, что если все же необходимо повысить коэффициентусиления до 10000, то и в этом случае использование отрицательнойобратной связи значительно улучшит стабильность.Пустьдляполучениябольшогокоэффициентаусиленияиспользованы 4 включенных последовательно описанных усилителя,охваченных отрицательной обратной связью.
Тогда в рассматриваемомдиапазоне частот общий коэффициент усиления будет изменяться впределах от 9960 (9,99 • 9,99 • 9,99 - 9,99) до 9606 (9,9 • 9,9 • 9,9 • 9,9).„,.9960 - 9606 1ЛЛ<ИЧ _Изменение составит 3,6 % (—т— 100%). Это, очевидно, значительноменьше 90 %.В том диапазоне частот, в котором выполняется уело* * ■ * вие | Р АГИ |»1, коэффициент Киос можно определить извыраженияВ первом приближении можно считать, что единицей••Оглавлениеможно пренебречь при условии, что 1 < | Р Ки |.Пусть в качестве цепи прямой передачи используется рассмотренныйвыше операционный усилитель К140УД8, а в качестве цепи обратной связи— делитель напряжения,Отсюда получаемпричем р = Р = 0,1 (рис. 2.11).Легко заметить, чтоТаким образом, для этой схемы действительноВ соответствии с полученным выше неравенством можно, в первомприближении, считать, что \ Киос\ = 1/Р == 10 в том диапазоне частот, в котором \Ки \ > 10.Поэтому для определения частоты среза fcp_усилителя, охваченногоотрицательной обратной связью, в первом приближении достаточнопровести горизонтальную линию на уровне | Ки \ — 10 до пересечения самплитудночастотной характеристикой используемого операционного усилителяК140УД8.Изрис.2.12видно,чтоfcp.oc~« 5 • 105 Гц, это значительно больше частоты среза fcp операционногоусилителя (fcp~ 10 Гц), не охваченного обратной связью.
Характеристика,изображенная жирной линией, представляет собой в первом приближенииамплитудно- частотную характеристику усилителя с отрицательнойобратнойсвязью,которая,естественно,оказываетблаготворноевоздействие и на фазочастотную характеристику.Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью.Обратимсякструктурнойсхемеусилителяотрицательной обратной связью (рис. 2.13).ОглавлениеспоследовательнойОбозначим через Zex входное комплексное сопротивление цепипрямой передачи:где/ — комплексное действующее значение тока iex.ПолучимТаким образом,Найдем входное комплексное сопротивление Zexoc усилителя,охваченного обратной связью:Пусть коэффициенты Кии р являются вещественными (Ки = Ки и $ =Р), тогдаОтсюда следует, что последовательная отрицательная обратная связьувеличивает входное сопротивление по модулю. Практически всегда этоявляется положительным фактором.Выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью.Обозначим через Zeblx и Zeux ос соответственно выходное комплексноесопротивлениецепипрямойпередачиивыходноекомплексноесопротивление усилителя, охваченного обратной связью.По определениюгде &0вых, Д/вых — приращения комплексных действующихзначений соответственно напряжения ивых и токаhuxПри этом предполагается, что обратная связь отключена (например,выход цепи обратной связи закорочен).Также предполагается, что U^i = const, а изменение величин 1/вызс иieblx вызвано изменением сопротивления нагрузки.По определениюОглавлениено при этом предполагается, что обратная связь действует и что U^i =const.В этом случае причиной возникновения приращенияМ)вых является не только падение напряжения на выходномсопротивлении Zeblx, но и появление приращенияA Uос комплексного действующего значения напряжения“ос*Следовательно.Знаки «минус» использованы потому, что и увеличение тока ieblx, иувеличение напряжения иос вызывают уменьшение напряжения ивьа.••Отсюда с учетом, что Д£/ = Д (/ • R, получимI/С*В соответствии с этимПусть коэффициенты К^-и $ являются вещественными.
Тогда,очевидной отрицательная обратная связь по напряжению уменьшаетвыходноесопротивлениеусилителя.Оченьчастоэтоявляетсяположительным фактором.Разновидности отрицательных обратных связей и анализ ихвлиянияДля упрощения изложения принимаем условие, что цепь прямойпередачи и цепь обратной связи характеризуются вещественнымикоэффициентами и что все токи и напряжения описываются вещественнымидействующими значениями.Обратимся к обратной связи по напряжению. Она препятствуетизменению выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки.Это означает, что введение отрицательной обратной связи по напряжениюуменьшает выходное сопротивление усилителя. Этот же вывод был сделанвыше на основе полученного математического выражения для выходногосопротивления. Можно показать, что характер изменения выходногосопротивления не зависит от того, является связь параллельной илипоследовательной.Обратимся к обратной связи по току.
Она препятствует изменениювыходного тока при изменении сопротивления нагрузки. Это означает, чтовведение отрицательной обратной связи по току увеличивает выходноесопротивление. При этом характер изменения выходного сопротивлениятакже не зависит от того, является ли связь параллельной илипоследовательной.Подобныерассуждения(исоответствующиематематическиевыражения) показывают, что параллельная обратная связь уменьшаетвходное сопротивление усилителя, охваченного ею, а последовательнаяувеличивает(чтоподтверждаетполученноевышематематическоевыражение).
Характер изменения входного сопротивления не зависит оттого, является ли обратная связь связью по току или по напряжению.ОглавлениеОбратимся к структурной схеме усилителя с отрицательнойпоследовательной обратной связью по напряжению и к полученномувыражениюЕсли окажется, что на некоторой частоте аргумент <ркомплексной величины Ки • р окажется равен п, то этобудет означать, что напряжение обратной связи иж по фазе совпадаетс напряжением ивхХ и напряжением мвх2. В этом случае окажется, чтообратная связь станет положительной.
Если к тому же окажется, что нарассматриваемойчастоте выполняется условие | Ки ^ 1, то это будет означать, чтосигнал, проходящий последовательно через цепь прямой передачи и цепьобратной связи, усиливается. При этом и в случае нулевого напряженияивхХ напряжения ив1а, ивых, иос окажутся ненулевыми, т. е. усилитель посуществупревратитсявгенератор.Этоявлениеназываютсамовозбуждением усилителя.Для предотвращения самовозбуждения необходимо предприниматьмеры (например, осуществлять частотную коррекцию операционногоусилителя, играющего роль цепи прямой передачи), обеспечивающиевыполнение одного из следующих, по сути равноценных, условий:На практике обычно пользуются вторым условием. Угол а,определяемый выражением а = я — <р, называют запасом устойчивости пофазе.Запас устойчивости по фа^едЬяжен быть не менее 30...60 или даже 65градусов.ОглавлениеУСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХРежимы работы транзистора в усилителеПеред тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал,подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы(статический режим, режим по постоянному току, режим покоя).
Начальныйрежимработыхарактеризуетсяпостояннымитокамиэлектродовтранзистора и напряжениями между этими электродами. Используюттермин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценныйему термин «начальный режим работы усилителя». Для определенностиобратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходнымхарактеристикамтранзистора.Тогданачальныйрежимработыхарактеризуется положением так называемой начальной рабочей точки(НРТ) с координатами (икэ н, /к н).
гДе икэ н и /к н — начальное напряжениемежду коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора. Длястабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положенияначальной рабочей точки.Для характеристики проблемы обеспечения начального режиматрадиционно и вполне оправданно рассматривают следующие три схемы:с фиксированным током базы;с коллекторной стабилизацией;с эмиттерной стабилизацией.На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Изостальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттернойстабилизацией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
