Обратные связи в усилителях и их влияние на работу усилителя.

Существует два вида обратных связей в усилителях:

- отрицательная обратная связь (ООС).

- положительная обратная связь (ПОС).

Качественные показатели усилителя улучшаются, если в нём применена ООС. В результате применения ООС происходит значитель-ное уменьшение нелинейных, частотных и фазовых искажений, возника-ющих в усилителе. Заметно возрастает стабильность коэффициента усиления  и полосы пропускания. Может быть изменено входное и выходное сопротивление усилителя.

Малая величина нелинейных искажений в усилителях с ООС позво-ляет увеличить его КПД и выходную неискажённую мощность, что имеет особо важное значение для усилителей мощности низкой частоты.

В усилителях напряжения ООС обычно применяется для расширения их полосы пропускания, т.е. для уменьшения частотных и фазовых искажений, а также для стабилизации параметров.

Усилитель может состоять из одного каскада или быть многокаскад-ным. Усилительный каскад с ООС может быть низкочастотным и высокочастотным. Практически ООС чаще используется в усилителях низкой частоты.

В усилителях  с ООС на базу транзистора одновременно с входным напряжением подаётся также несколько меньшее напряжение обратной связи, фаза которого в области средних частот усилителя противопо-ложна фазе входного напряжения. Напряжение обратной связи создаётся в самом каскаде. Оно получается в его выходной цепи.

Напряжение обратной связи бывает пропорционально либо выходному напряжению, либо выходному току. В первом случае получается обратная связь по напряжению, во втором случае обратная связь по току.

Несколько реже встречается комбинированный вид обратной связи (по напряжению и по току).

В зависимости от способа подачи напряжения обратной связи на вход усилителя  различают последовательную и параллельную обратную связь.

Перечисленные варианты схем ООС приведены на рис. 13.7. Из этих схем видно, что в усилителях с ООС напряжение на базе транзистора не равно входному напряжению. Оно меньше его на величину напряжения обратной связи. Это обстоятельство служит причиной уменьшения коэффициента усиления усилителя, в котором применена ООС. Для компенсации этого недостатка приходится увеличивать усиление в предыдущих каскадах. Затруднений при этом обычно не возникает.

Обратные связи в усилителе разделяют на: внутреннюю, паразитную и внешнюю.

Внутренняя обратная связь имеется во всех активных электронных приборах и зависит от их физических свойств и устройства.

Паразитная обратная связь появляется из-за возникновения произ-вольных (паразитных) ёмкостных и индуктивных связей между входом и выходом усилителя или его отдельных каскадов.

Внешняя (наведённая) обратная связь определяется специально введёнными цепями для получения заданных характеристик усилителя.

                                            

                  Рис.13.7. Варианты обратных связей.

Коэффициент усиления усилителя с ООС определяется по формуле:

                                 =                                          (13.13)

      1. Влияние ООС на полосу пропускания усилителя.

В области низких частот зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты можно выразить следующей формулой:

                                =                                     (13.14)

где  – коэффициент усиления на средней частоте.

    – постоянная времени на низких частотах.

Подставляя (13.14) в (13.13) получим:

=  =       (13.15)

Сравнивая выражение (13.15) с формулой (13.14) видно, что при постоянной времени для низких частот появился коэффициент , что эквивалентно изменению постоянной времени для низких частот в усилителях с ООС, т.е.

                                 =                                          (13.16)

При < 0 получим  > , т.е. постоянная времени увеличилась, что эквивалентно расширению полосы пропускания усилителя в сторону низких частот, так как

                                     =                                                             (13.17)

В области высоких частот зависимость коэффициента усиления усилителя можно выразить формулой:

                                   =                                      (13.18)

где  – постоянная времени для высоких частот.

Подставив (13.18) в выражение (13.13) и проводя преобразования получим:

             =  =          (13.19)

где  =  – постоянная времени для высоких частот.

При < 0 получим  < , т.е. постоянная времени для высоких частот уменьшается, что эквивалентно расширению полосы пропускания в области высоких частот, так как

                                   =                                                               (13.20)

АЧХ усилителя без ООС и с ООС приведена на рис.13.8. Из рисунка видно, что у усилителей с ООС коэффициент усиления в области средних частот меньше, чем у усилителей без ООС. Вместе с тем его нижняя граничная частота сдвинута в область низких частот, а верхняя граничная частота – в область более высоких частот.

             

                          Рис.13.8. АЧХ с ООС и без ООС. 

 

Таким образом, полоса пропускания усилителя с ООС существенно расширяется, так как коэффициенты усиления современных транзисторов довольно велики, получить высокий коэффициент усиления многокас-кадного усилителя нетрудно. Используя ООС, получают импульсные и звуковые усилители с требуемой широкополосностью при минимальном количестве катушек индуктивности и конденсаторов.

  2. Влияние ООС на стабильность коэффициента усиления.

Коэффициент усиления может изменяться вследствие изменения пара-метров активных элементов. Цепь обратной связи обычно состоит из пассивных элементов, которые стабильны. При глубокой ООС >> 1 и коэффициент усиления можно упростить:

=  ≈                                     (13.21)

т.е. при глубокой ООС коэффициент усиления не зависит от парамет-ров усилителя, а определяется только параметром обратной связи.

   3. Влияние ООС на входное и выходное сопротивление.

При последовательной ООС по напряжению:

 = ) (т.е.  увеличивается)           (13.22)

             = (т.е.  уменьшается)       (13.23)

Формула (13.22) показывает, что уменьшается влияние усилителя на входной сигнал, а формула (13.23) показывает, что усилитель с после-довательной ООС является более устойчивым к большим нагрузкам.

При параллельной ООС по току:

             =   (т.е.  уменьшается)           (13.24)

             = ) (т.е.  увеличивается)      (13.25)

При параллельной ООС повышается быстродействие усилителя.

Комбинируя разные типы ООС, можно получить усилители с различными характеристиками. 

4. Влияние ООС на устойчивость усилителя

В некоторых случаях усилители обладают склонностью к самовоз-буждению. Это происходит из-за того, что на некоторой частоте фаза напряжения обратной связи меняется на 180°, и ООС превращается в ПОС. Обычно такое явление происходит на краях полосы пропускания. Для устранения этого явления используют частотно-зависимую обратную связь с RC-цепями.

5.  Влияние ООС на линейные искажения.

ООС уменьшает коэффициент усиления. При больших амплитудах входного сигнала ток в активных элементах усилителя без ООС может достигать предельных значений, при которых начинаются нелинейные искажения. В усилители с ООС сильные сигналы подавливаются больше и динамический диапазон входных сигналов расширяется. Такой эффект ООС наиболее часто используется в радиоэлектронных устройствах, где сигналы могут изменяться по амплитуде на 30÷40 дБ. Использование ООС в этих целях называется автоматической регулировкой усиления (АРУ).

ООС обеспечивает выравнивание АЧХ в широком спектральном диапазоне, что приводит к улучшению воспроизведения сигналов с широким спектром и уменьшению частотных искажений. В частности, при наличии ООС в видеоусилителях лучше воспроизводятся фронты и срезы импульсов.

Если цепь ООС частотно-зависимая, т.е. имеет LC- или RLC- цепи, то с её помощью можно вести избирательное усиление определённых частот.

 

                   6. Режимы работы усилителя.

В зависимости от напряжения смещения и амплитуды входного сигнала различают несколько режимов работы усилителя, которые обозначаются буквами А, В, АВ, С и D. Положение рабочей точки и определяет эти различные режимы.

1. Режим работы класса  А.

В режиме работы класса А рабочую точку выставляют примерно на середине линейного участка проходной динамической характеристики, для чего между базой и эмиттером транзистора при помощи одной из цепей питания базы необходимо создать постоянную составляющую напряжения, которая называется величиной напряжения смещения.

При отсутствии переменной составляющей усиливаемого сигнала рабочая точка называется рабочей точкой покоя.

На рис.13.9. показан график работы усилителя в режиме класса А.

До определённого момента времени переменная составляющая входного сигнала отсутствует, и под действием напряжения смещения в коллекторной цепи транзистора будет протекать  постоянная составляющая коллекторного тока, которая называется током покоя.

              

                    Рис.13.9. Режим работы класса А  

 

Режим работы класса А характеризуется минимальными нелинейны-ми искажениями, так как усилительный элемент работает на линейном участке характеристики. В усилителе класса А может применяться всего один транзистор, что является достоинством.

Недостатком режима класса А является низкий КПД, составляющий примерно 25% (теоретически). Практически достижимый КПД усилителя класса А находится в диапазоне от 5 до 7%, не более. Это объясняется тем, что энергия от источника питания затрачивается не только на усиление переменной составляющей, но и на создание постоянной составляющей тока , которая является бесполезной и в дальнейшем отсеивается разделительным конденсатором.

Режим класса А применяется в основном в предварительных каскадах усиления, например, в микрофонных усилителях.

 

2. Режим работы класса В.

В режиме класса В при отсутствии входного сигнала теоретически ток покоя усилителя не потребляется, а на практике составляет очень небольшую величину, исчисляемую десятками миллиампер (рис.13.10).

Режим работы класса В характеризуется углом отсечки Ѳ, который выражен в градусах. Углом отсечки называется половина длительности времени за период колебания, в течение которого в выходной цепи будет протекать ток.

Для режима класса В угол отсечки Ѳ равен 90°, т.е. выходной ток протекает в течение половины периода входного сигнала. Характеризу-ется режим класса В высоким КПД, который может теоретически достигать 78,5%. Обычно на практике КПД усилителя класса В состав-ляет от 40 до 60%. Недостатком режима класса В являются большие нелинейные искажения, которые теоретически могут достигать 43%. Режим работы класса В усилителя применяются в выходных двухтактных  усилителях мощности. Недостаток усилителя класса В заключается в требовании наличия двух транзисторов.

            

                 Рис.13.10. Режим работы класса В.

3. Режим работы класса АВ.

     Положение точки покоя в режиме класса АВ выбирается на нижнем изгибе проходной динамической характеристики (рис.13.11), что соответствует напряжению около 0,3В, т.е. рабочая точка должна находиться там, где по графику начинает существенно увеличиваться входной ток базы транзистора.

Для создания усилителей класса АВ используются двухтактные каскады. В один такт работает одно плечо усилителя, а во второй – другое. В этом случае будет иметь место ток покоя, но величина его будет значительно меньше, чем в режиме класса А. Угол отсечки Ѳ в режиме класса АВ будет больше 90°. Режим усилителя класса АВ имеет несколько меньший КПД, чем КПД усилителя, работающего в режиме класса В.

Используют режим класса АВ так же, как и режим класса В, в двухтактных усилителях мощности. Для выполнения усилителей классов В и АВ используются транзисторы, имеющие одинаковые параметры, но разный тип проводимости. Работающий в классе АВ усилитель имеют

               

                      Рис.13.11. Режим работы класса АВ.

на практике КПД от 30 до 50% и несколько большие нелинейные искажения, чем усилитель, работающий в классе А.

4.   Режим работы класса С.

Режим работы класса С – режим, при котором величина напряжения смещения имеет отрицательное значение (рис.13.12).

             

                Рис.13.12. Режим работы класса С.

Режим класса С характеризуется весьма высоким КПД, достигающим 80%. Нелинейные искажения в этом режиме наибольшие. Режим работы класса С чаще всего применяют в выходных каскадах усилителей мощности радиопередатчиков, которые должны обладать максимально возможным КПД.

5. Режим работы класса D.

Режим работы класса D – ключевой режим работы усилителя. Он не предназначен для усиления сигнала, но широко используется в импуль-сных источниках питания, передатчиках и другой аппаратуре. В таком режиме активный элемент переходит из области насыщения в область отсечки, минуя линейный режим, и наоборот. В области насыщения через активный элемент течёт ток, но напряжение на этом элементе стремится к 0. Помня, что мощность есть произведение напряжения на ток, делаем вывод, что мощность потерь в активном элементе не выделяется. В области отсечки к активному элементу приложено напряжение, а ток, протекающий через него, стремится к 0. Мощность потерь в активном элементе не рассеивается.

На практике активный элемент в насыщенном состоянии имеет небольшое сопротивление единицы – десятки Ом, в результате на активном элементе выделяется тепло вследствие потерь. В режиме отсечки активный элемент обладает сопротивлением от долей до единиц Мом, и в этом состоянии в активном элементе рассеивается тепло. 

Ключевой режим характеризуется самым высоким КПД, достигающим у преобразователей мощных устройств 98%.