Существует целый ряд квалификационных признаков ОС.

Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то используется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во втором - отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складываются, либо вычитаются).

По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается последовательно с напряжением источника входного сигнала (рис.7 а), а во втором - параллельно (рис.7).

Рисунок 7

В усилителях в основном используется отрицательная обратная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти вое характеристики усилителей. На рис. 7 а показан усилитель, охваченный последовательной отрицательной обратной связью по напряжению. Оценим свойства такого усилителя.

Уравнение по 2-му закону Кирхгофа для входной цепи усилителя имеет вид

Разделим обе части (6) на

 

Введём обозначения:

- коэффициент усиления усилителя без ОС.

- коэффициент передачи звена ОС.

- коэффициент усиления усилителя с ОС.

После преобразований получаем

Выражение показывает, что введение ООС приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления. Практически это единственное негативное свойство ООС. Однако если γ К>>1, а этого достичь очень просто, то К_OC =1 /γ, т.е. результирующий коэффициент усиления К_OC не зависит от К, а следовательно, и от всех факторов, влияющих на его величину, т.е. существенно повышается стабильность К_OC. Кроме того, ООС расширяет полосу пропускания и линейный участок амплитудной характеристики, что приводит к уменьшению искажений как линейных, так и нелинейных.

Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивление R, выходное сопротивление U_вых. Идеальным ОУ называют такой усилитель, у которого вывод некоторых основных показателей ОУ, включенных по схеме инвертирующего усилителя (см. рис.12), выполнен в предположении того, что используемый в нашей работе ОУ типа К140УД1А является идеальным. В этом случае получаются очень простые выражения для показателей инвертирующего усилителя, а вносимая погрешность незначительна.

Найдем выражение для коэффициента усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, т.е. найдем

Для идеального ОУ имеем , следовательно, ; , т.е. , и тогда по 1-му закону Кирхгофа . Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа ; , следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением . Далее, , ; так как , получаем:

Знак "-" физически означает, что инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного, равный 180°, т.е. Uвх и Uвых находятся в противофазе.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя Rос определяется выражением:

 

Практическая часть

 

В настоящее время основным элементом электронного усилительного устройства является транзистор.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор - дословно "преобразователь сопротивления"). Это свойство транзистора может быть использовано для различных преобразований электрических сигналов (усиление, генерирование, преобразователей формы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п.

В данной работе используется биполярный транзистор типа n-р-п, и имеющий два р- п- перехода.

На рис. 8 изображена схема подключения внешних элементов, генератора усиливаемого входного напряжения U_ВХ и  источника питания +U_n к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзисторов, так как в ней наилучшим образом используются усилительные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые используются реже

Рисунок 8

. Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му закону Кирхгофа для транзистора  можно записать

,

т.е. ток коллектора I_к меньше тока эмиттера I_Э на величину тока базы I_Б. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока

.

Величина всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов = 0,900...0,999.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной явяется ток базы, а выходной - ток коллектора:

.

Коэффициент называют статическим коэффициентом усиления тока в схеме с ОЭ и значение его составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов

Рисунок 9-Входные характеристики               Рисунок 10- Выходные

или коллекторные характеристики

Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзистора в схеме с ОЭ являются:

а) входные характеристики (рис. 9)

при

б) выходные или коллекторные характеристики (рис. 10)

при

Рисунок11 - Схема усилительного каскада

В исследуемом усилительном каскаде (см. рис. 11) применена ООС по току эмиттера, а резистор R₃ является элементом цепи обратной связи, которая необходима для стабилизации положения точки покоя при возможных изменениях температуры транзистора, т.е. используется эмиттерная температурная стабилизация. Она осуществляется введением в схему последовательной ООС по постоянному току эмиттера I_ЭП.

В режиме покоя, когда U_ВХ=0, с учетом I_Д>>I_БП для постоянных составляющих токов и напряжений по 2-му закону Кирхгофа можно записать

С изменением температуры изменится ток покоя транзистора I_КП, а, следовательно, и ток покоя эмиттера I_ЭП(например, возрастут при увеличении температуры). Смещение точки покоя на выходных характеристиках вверх вдоль линии нагрузки может привести к увеличению I_БП и U_БЭП, на входных характеристиках. Так как I_Д>>I_БП, можно полагать I_Д R2= const.

Очевидно уменьшение U_БЭП, а, следовательно, уменьшение I_БП, что приводит к снижению I_КП и к неизменности режима покоя.

Для исключения влияния ООС по переменному току на коэффициент усиления параллельно R_э включен конденсатор С_Э, емкость которого должна быть достаточно большой, чтобы реактивное сопротивление в полосе пропускания Х_CЭ << R_Э /10.

Если же С_Э отсутствует, то переменная составляющая тока эмиттера Iэ создает на резисторе R падение напряжения энергопотреблением.

  В настоящей лабораторной работе используется простейший ОУ типа 1Ш0УД1Л. На рис.12 показаны условные обозначения ОУ, графическое и буквенное, а на рис.13 - типовая схема его включения для реализации инвертирующего усилителя. Каждый внешний вывод ОУ имеет вполне определенное функциональное назначение. Один из входов ОУ называют инвертирующим (цифра 9 на рис.12), а второй - неинвертирующим (цифра 10). При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала тлеет обратный знак, противоположный по фазе входному. При подаче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают, т.е. сдвиг по фазе равен нулю.

 

Рисунок 12                                          Рисунок 13

Усилительные устройства на базе ОУ без отрицательной обратной связи не используются, в противном случае они, как правило, самовозбуждаются, т.е. превращаются в автогенератор произвольной частоты и формы. Поэтому инвертирующий вход ОУ предназначен для введения ООС.

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилительный каскад постоянного тока, выходным каскадом - эмиттерный повторитель тока. Применение двух разнополярных источников электропитания с общей точкой - U_n для ОУ позволяет получать напряжение U обеих полярностей относительно нулевой точки, а также обеспечить Uвых=0 при Uвх=0. Выполнение последнего условия называют балансировкой ОУ, и осуществляется оно с помощью дополнительных навесных, т.е. внешних элементов, подсоединяемых к соответствующим внешним выводам ОУ (как правило, это переменный резистор).

Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивление R, выходное сопротивление U_вых. Идеальным ОУ называют такой усилитель, у которого вывод некоторых основных показателей ОУ, включенных по схеме инвертирующего усилителя (см. рис.12), выполнен в предположении того, что используемый в нашей работе ОУ типа К140УД1А является идеальным. В этом случае получаются очень простые выражения для показателей инвертирующего усилителя, а вносимая погрешность незначительна.

Найдем выражение для коэффициента усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, т.е. найдем

Для идеального ОУ имеем , следовательно, ; , т.е. , и тогда по 1-му закону Кирхгофа . Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа ; , следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением . Далее, , ; так как , получаем:

Знак "-" физически означает, что инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного, равный 180°, т.е. Uвх и Uвых находятся в противофазе.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя Rос определяется выражением:

Рисунок 14

Амплитудно-частотная характеристика реального операционного усилителя при отсутствии разделительных емкостей на входе в выходе представлена на рис. 14. В ней отсутствует снижение коэффициента усиления в области низких частот, что позволяет с помощью 07 усиливать медленно меняющиеся и постоянные сигналы (УНТ). Снижение коэффициента усиления в области высоких частот обусловлено частотными свойствами входящих в ОУ транзисторов, механизм воздействия которых на вид АЧХ рассматривался выше.

 

Задание: