Гусев - Электроника (944138), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Поэтому при введении в такой усилитель ОС она будет отрицательной только в определенном диапазоне частот, в котором вектор сигнала ОС вычитается из вектора входного сигнала. Пусть на какой-то частоте фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен 180', а цепь ОС не вносит фазовых сдвигов (рис. 4.8, а).
В этом случае вектор сигнала ОС противоположен Г,„и вектор результирующего сигнала сз'3 на входе усилителя совпадает с Г,„. При изменении частоты входного сигнала изменяется фазовый сдвиг напряжения на выходе усилителя и он отклоняется от 180е на грл=гр — 180"'. Теперь векторы (3„, !З„и !3з йе совпадают по направлению (рис. 4.8, б). Из входного сигнала вычитается только проекция вектора ()., на горизонтальную ось. Вектор напряжения на входе усилителя ()з теперь не совпадает с (),„, но обратная связь при этом остается отрицательной и результирующий фазовый сдвиг усилителя с ОС меньше, чем без ОС.
На частоте, где рои достигает 90', проекция вектора У„на горизонтальную ось равна нулю (рис. 4.8, в). В этом случае напряжение ОС не изменяет горизонтальную составляющую вектора входного напряжения Е'3. Тем не менее на этой частоте ОС меняет параметры усилителя. Эти изменения количественно можно определить из выражения (4.48). При малой глубине обратной связи ( Ку ):к! цепь ОС практически не меняет фазового сдвига выходного напряжения и он остаетсЯ Равным Р(з = РРи+ 180е = 270'. ПРи глУбине ОС, соответствующей условию ) Ку)=1, цепь ОС уменьшает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения на 45' и он становится равным го -225*.
При ) Ку ) » 1 дополнительный к,г, к К, 00, бу граб 40 20 0 й тра'0 к кг,бб ег 20 00 40 )00 0) 0) Рис. 4.9. Сгрукуурная схема усилителя с разомкнутой ОС (а); ЛЛЧХ и ЛФЧХ усилителя постоянного тока. пепи ОС и пстлевого усиления (О); ЛАЧХ н ЛФЧХ усилителя переменного тока. пепи ОС и петлевого усиления (е). У - ебуисг .
уае Куя К г а» е, .к Ку — ! фазовый сдвиг гр„стремится к нулю. На частоте, где Чгл>9()', ОС из отрицательной превращается в положительную (рис. 4.8, г), так как векторы входного сигнала ()г и напряжения обратной связи суммируются. Следовательно, при введении в сложный усилитель отрицательной обратной связи практически всегда найдется участок частот, где эта озрицательная ОС станет положительной. Поэтому в общем случае глубина ОС ограничена областью, где у усилителя не возникают автоколебания. При введении ОС обычно необходимо проводить исследование устойчивости усилителя.
Основная идея проверки устойчивости сводится к следующему. Если разомкнуть цепь ОС (рис, 4,9, а) и исследовать прохождение сигнала через усилитель и эту цепь, то определится область частот, в которой ! Ку)>1. Если в этой области дополнительный фазовый сдвиг напряжения (l„ достигнет гр„= 18()', то условия потери устойчивости выполняются и усилитель неустойчив.
Если при ~ Ку ) > 1 гр,<180', то усилитель устойчив и автоколебания не возникнут при замыкании цепи ОС, Исследования устойчивости можно проводить экспериментально или теоретически. В последнем случае чаще всего применяют логарифмические характеристики.
Для этого необходимо знать ЛАЧХ и ЛФЧХ как усилителя, так и цепи обратной связи. Пусть ЛАЧХ и ЛФЧХ усилителя имеют вид, показанный па рис. 4.9, 6 сплошной линией, причем ЛФЧХ построена для дополнительного фазового сдвига гр, (отклонения от 18()'). Пусть имеются две частотно-независимые цепи ОС с коэффициентами передачи у, и у, (сплошные линии на рис.
4.9, 6). Петлевое усиление по цепи усилитель- — цепь ОС найдем геометрическим суммированием ЛАЧХ усилителя и цепи ОС, для чего просуммируем ординаты ЛАЧХ при одинаковых 235 часто~ах. После суммирования получим ЛАЧХ петлевого усиления ) Ку ~ Найдем теперь ЛФЧХ петлевого усиления, для чего просуммируем ординаты ЛФЧХ усилителя и цепи ОС, Так как в рассматриваемом случае ОС для простоты взята частотно- независимой, то фазовый сдвиг, вносимый ею, равен нулю и ЛФЧХ петлевого усиления равна ЛФЧХ усилителя.
Таким образом, для двух цепей ОС получим две ЛАЧХ петлевого усиления и одну ЛФЧХ. В ~очках, где ЛАЧХ петлевого усиления пересекает ось абсцисс, т. е. 20 18 Ку = О, коэффициент петлевого усиления ~Ку1=1. Следовательно, на частотах, где ЛАЧХ петлевого усиления находится выше оси абсцисс, ~ Ку ~ >1, а на частотах, где ЛАЧХ ниже оси абсцисс, ~ Ку ! с! . Если дополнительный фазовый сдвиг на участке, где ~ Ку!>1, достигнет 180', то усилитель неустойчив.
Поэтому в точках, где ЛАЧХ пересекает ось абсцисс, определяют дополнительные фазовые сдвиги. Если они меньше 180', как в случае с ОС с коэффициентом у, то усилитель устойчив. Если болыпе 180", как в случае ОС с коэффициентом у,, то он неустойчив. Возбудившись на любой часготе, отличной ог рабочих, усилитель превращается в автогенератор и не может быть применен непосредственно для усиления сигналов. Разность между 180" и дополнительным фазовым сдвигом в точке, где 2018Ку=0, называется запасом устойчивое~и и о ф а з е ~р„„.
Отрицательное значение ЛАЧХ петлевого усиления в точке, где дополнительный фазовый сдвиг достигает 180", называется запасом устойчивости по амплитуде К,,„. Запас устойчивости по фазе должен быть не менее 30 — 60', а по амплитуде — не менее 3 дБ. Таким образом, при анализе устойчивости с помощью ЛАЧХ обратная связь размыкается и определяют ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой цепи, по которой судят об устойчивости и запасе устойчивости усилителя с ОС, причем ЛАЧХ в общем случае пересекает ось абсцисс в области высоких и низких частот.
На рис. 4,9, в показаны ЛАЧХ и ЛФЧХ усилителя переменного тока, ЛАЧХ петлевого усиления которого два раза пересекает ось абсцисс. Усилитель неустойчив, так как дополнительный фазовый сдвиг в области высоких частот достигает 180" раньше, чем ( Ку ~ станет меньше единицы. Введение частотно-независимой отрицательной ОС улучшает частотные характеристики усилителя, способствует расширению полосы пропускаемых частот и снижению частотных искажений в пределах заданного диапазона. Однако при определенных условиях, когда запас устойчивости по фазе меньше 60', амплитудная характеристика усилителя с ОС становится не- монотонной и наблюдается ее подъем в области высоких 236 Рис. 4.1! Структурная схема усилителя с сигналом ползехи Рис. 4 1О. Частотные характеристики усилителей: 1 бсз ОС, 2 -с ОС ри запаса устойчив сзи фазе р > бе', У вЂ” с ОС при запаса по фаза р,м 30: а — с ОС и малым запасом по фазе помехи "п азг у ()+аз! йг у).
(4.50) В силу линейности усилителя выходной сигнал (4. 51) 17,„„= К„17„, + К„1у'„. 237 частот (рис. 4.10, кривые 3, 4), Этот подъем обусловлен тем, что из-за фазовых сдвигов в петле обратная связь, становясь положительной на высоких частотах, увеличивает общий коэффициент усиления усилителя. Чем больше дополнительный фазовый сдвиг в диапазоне частот, где ! Ку ~ >! (меньший запас устойчивости по фазе), тем сильнее влияние положительной обратной связи и тем больший подъем имеет частотная характеристика (крнвая 4). Величину подъема частотной характеристики находят из уравнения (4.27). Если запас устойчивости по фазе больше 60", то частотная характеристика не имеет подьема (кривая 2) и является практически монотонной.
Поэтому исходя из условия получения монотонной частотной характеристики и улучшения переходного процесса запас устойчивости но фазе рекомендуется брать больше 60". С помощью отрицательной обратной связи удается существенно уменыпить шумы и помехи, возникаюгцие внутри усилителя. При этом уровень последних на выходе тем меньше, чем ближе к выходу они возникают.
Для доказательства этого предположим, что источник помехи действует на промежуточный каскад усилителя. Тогда весь усилитель можно разбить на два усилителя (рис. 4.11) и рассмотреть раздельно усиление входного сигнала и усиление помехи. Коэффициенты усиления: полезного сигнала Е7,„ = а! йг1(1+ух!!лгу). Если К„<К... т. е.
К2 ~ К,К„то сигнал помехи усиливается значительно меньше, чем полезный сигнал, и соотношение сигнал/шум улучшается. Чем ближе к входной части усилителя находится источник помехи, тем больше К„и хуже соотношение сигнал/шум. Если помеха находится йа входе усилителя и К =К,К, то ОС не влияет на соотношение сигнал,'шум. Аналогично рассмотренному выше можно показать, что отрицательная ОС снижает нелинейные искажения усилителя.
При этом коэффициент усиления К рассматривается как функция входного напряжения. Е 4.3. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ Усилители электрических сигналов чаще всего выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на электронных лампах, туннельных диодах и других приборах, имеющих на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Независимо от типов активных электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи„в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи. Этот режим работы называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Оп характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входящих в сос1ав усилительного каскада.
При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепях начинает изменяться в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. Значение выходного сигнала обычно значительно больше входного сигнала. Когда рассматривают приращения токов или напряжений, вызванные входным сигналом, то говорят, что это режим работы по переменному току или режим малого сигнала. Статический режим определяют в зависимости от значения входного снпгала, который необходимо усиливать. В зависимости от постоянного тока и падения напряжения на активном приборе усилительного каскада, а также от значения входного усиливаемого сигнала принято различать следующие режимы работы: А; В; С; )Э; промежуточные режимы, например АВ.
Режим А это режим работы активного прибора, при котором ток в выходной цепи ~ протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирают так, что амплитуда переменной составляющей выходного тока 1„, появившегося 238 б) гВ вследствие воздействия входного Ибх сигнала (рис. 4.12, а), в режиме А не можез превышать ток покоя 1о (рис. 4.12, б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
