Классификация обратных связей в усилителях

Обратные связи бывают полезными, если мы их создаем сами, и паразитными (вредными), если они возникают в схемах помимо нашего желания.

По месту нахождения по отношению к усилителю ОС могут быть внутренними, если передача сигнала с выхода на вход происходит через внутренние элементы усилителя, и внешними, если они охватывают усилитель снаружи.

По воздействию на величину коэффициента усиления ОС бывают положительными, если увеличивают его, и отрицательными, если уменьшают.

Реализация полезных обратных связей может быть различной. Различают 4 вида обратных связей:

На рисунках изображены:
а) последовательная ОС по напряжению
б) параллельная ОС по напряжению
в) последовательная ОС по току
г) параллельная ОС по току

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно "закоротить" нагрузки. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль, то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.

Наверх

Влияние отрицательной обратной связи на основные характеристики усилителя

Влияние положительной обратной связи не рассматриваем, т.к. она в усилителях практически не используется. Возникновение паразитных положительных обратных связей приводит к ухудшению характеристик усилителя и отказам в работе, что приводит к необходимости предпринимать меры, обеспечивающие устранение или ослабление действия положительной обратной связи.

На практике широко используются отрицательные обратные связи (ООС) в усилителях для целенаправленного изменения характеристик:

Наверх

Коэффициент усиления (Кос)

Как отмечалось выше, коэффициент усиления усилителя, охваченного ООС, определяется по формуле:

Если глубина ООС достаточно велика ΒK >> 1, то Koc = 1/Β. Это значит, что Koc зависит только от свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств цепи прямой передачи (транзисторы, ОУ и т.д.), которые не отличаются высокой стабильностью параметров. Если цепь обратной связи содержит только высокостабильные элементы (резисторы, конденсаторы и т.д.), то Koc оказывается стабильным, т.е. всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием ООС.

 

Режимы работы усилительных каскадов

Основные режимы работы усилительных каскадов по постоянному току - режимы А, B, АB, С. Сравнительный анализ, область применения. Определение токов в электронном усилительном приборе графоаналитическим методом. Нагрузочная линия.

 

Основные режимы работы усилителя. В зависимости от величины смещения на базе транзистора Uсм различают следующие режимы работы усилителя: A, B, AB, C, D.

 

Режим A характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке

входной характеристики (рис. 53).В исходном состоянии транзистор открыт

напряжением смещения Uсм и в цепи коллектора протекает ток Iко. При

поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной

сигнал в противофазе по отношению ко входному.

 

Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала Uвых(t) повторяет форму входного сигнала Uвх(t) за счет работы транзистора в активной зоне без захода в область насыщения и отсечки.

Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями. В это же время работа усилителя в режиме А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током Iко вне зависимость от наличия или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим используется только в маломощных каскадах, в

которых необходимо иметь минимальные нелинейные искажения.

 

На основе характеристик рис.53, можно пояснить графикоаналитический метод расчета усилителя. По графикам можно определить:

коэффициент усиления по току

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по мощности

 

Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения Uсм=0, а

следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной

характеристики. Особенностью режима В является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи. При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет

пульсирующий характер и протекает в течении половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.

 

Режим АВ занимает промежуточное положение между режимом А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения Uсм меньшими

нелинейными искажениями по сравнению с режимом А. Режим АВ

используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.

 

Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.

 

Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находится в открытом (режим насыщения) либо в закрытом (режим отсечки) состояниях.

Таким образом, ток в выходной цепи может принимать только два значения: IK_max = I_нас. и IK_min >> 0. Скорость перехода из одного состояния в другое характеризует быстродействие усилительного элемента. Обычно Uнас.<1B, поэтому КПД такого усилительного каскада близок к 1.

Режим работы D, который называют еще ключевым режимом,

применяется в импульсных схемах.

 

При использовании графоаналитического метода строится линия нагрузки (ЛН) по постоянному току. Она представляет собой ВАХ той части цепи, в состав которой не входит нелинейный, управляемый внешним сигналом активный прибор. В рассматриваемом случае это ВАХ резисторов R1,R2. За напряжение приложенное к ней берется разность напряжения питания и падения напр. на активном приборе. Точка из которой строят ВАХ нагрузочной (Епит,0) так как:

При разных значениях управляющего сигнала токи и нарп. активного прибора будут изменятся так же как и I0, U0. Задача сводится к нахождению геометрического места точет, где справедливо данное уравн.

 

В рассматриваемом случае ВАХ резисторов – прямая линияБ которая может быть построена по 2 точкам, при рассмотрении крайних случаев, когда нелинейный прибор имеет бесконечно малое и бесконечно большое сопротивление. Все возможные значения токов и напряжений на нелинейном приборе лежат в точках пересечения его ВАХ с линией нагрузки по постоянному току. Задавая различный управляющий сигнал на входе прибора меняют положение его раб. точки и соответственно ток покоя и падение напр. на компонентах цепи.

Усиление сигнала происходит за счет того, что изменение токов и напряжений в выходной цепи больше чем в входной.

Робочую точку выбирают исходя из режима в котором должен работать усилитель, а такжеиз заданных амплитуд выходного напряжения и связанного с ним тока.

Кроме того, требуется, что бы напр., токи и мощности рассеиваемые на электронном приборе не превышали предельно допустимых значений:

 

В процесе выбора рабочей точки могут быть получены различные результаты. При этом нахождение параметров близких к оптимальным, как правило осуществляют с помощъю метода проб и ошибок.

 

Пример построения ЛН для схемы с ОЭ

 

 

Операционные усилители (ОУ)

ОУ представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока. Он усиливает сигналы, начиная с нулевой частоты f = 0 до граничной частоты fгр. ОУ выполняется в виде интегральной схемы. Условные графические обозначения (УГО) ОУ приведены на рисунке:

• 1 – инвертирующий (инверсный) вход;
• 2 – неинвертирующий (прямой) вход;
• 3 – выход;
• +U и -U – выводы для подключения положительного и отрицательного напряжения питания;
• 0В – общий вывод ("ноль вольт"). Вход и выход имеют общую точку (земля);
• NC и FC – метки, характеризующие функции вывода.

В наиболее широко используемых ОУ питание осуществляется от расщепленного источника ± U с нулевым выводом. Обычно |+U| = |-U| = 3…18 В.

Часто на схемах используют упрощенные УГО (а, б). Вариант (а) используют обычно в зарубежной литературе. Варианты (а) и (б) не соответствуют ЕСКД и не могут использоваться в курсовом и дипломном проектировании.

Физический смысл инвертирующего и неинвертирующего входов в том, что при подаче синусоидального сигнала на инвертирующий вход фаза выходного сигнала сдвинута на 180 градусов по отношению к фазе входного сигнала, при подаче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают.

ОУ усиливает разность входных напряжений – Uвх1 и Uвх2.

 

Напряжение Uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом).

Uдиф = Uвх2 - Uвх1.

Uвых = k·Uдиф, где k – коэффициент усиления ОУ.

Наверх