- •непрерьгоного и импульсного действия
- •Малахов В. П.
- •УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
- •1.4.1. Входные и выходные данные
- •1.4.3. Коэффициент полезного действия
- •1.4.4. Частотная и фазовая характеристики
- •1.4.8. Нелинейные искажения
- •1.4.9. Амплитудная характеристика
- •1.4.10. Режимы работы усилительных элементов
- •ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ
- •2.2.1. Коэффициент усиления
- •2.2.2. Частотные искажения
- •2.2.3. Нелинейные искажения и помехи
- •2.2.4. Входное сопротивление
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
- •3.1.1. Питание цепей коллекторов биполярных транзисторов
- •8.1.2. Цепи смещения в каскадах на биполярных транзисторах
- •3.1.4. Питание цепей стоков полевых транзисторов
- •3.1.5. Цепи смещения и стабилизации режима работы в усилительных каскадах на полевых транзисторах
- •3.2.1. Каскады с непосредственной связью
- •УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ С РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
- •5.2.1. Однотактный трансформаторный каскад
- •5.2.2. Бестрансформаторный однотактный каскад
- •5.3.3. Бестрансформаторные двухтактные каскады
- •УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
- •ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
- •8.6.1. Защита цепей питания
- •8.6.2. Защита входных цепей
- •8.6.3. Защита выходных цепей
- •8.6.4. Компенсация входного тока сдвига
- •8.6.5. Компенсация входного напряжения сдвига
- •8.6.6. Ослабление влияния синфазного сигнала
- •8.6.7. Увеличение входного сопротивления
- •8.6.8. Увеличение выходной мощности
- •8.6.9. Коррекция частотной характеристики
- •9.4.1. Общие сведения
- •ИДЕАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
- •ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ И ИНТЕГРИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
- •ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ И ОГРАНИЧИТЕЛИ
- •14.3.1. Насыщенный ключ
- •14.3.2. Ненасыщенный ключ
- •14.4.1. Основные определения
- •14.4.2. Применение ограничителей
- •Глава 17 МУЛЬТИВИБРАТОРЫ
- •БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРЫ
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •21.1.1. Классификация триггеров
- •21.1.2. Асинхронный Я&триггер
- •21.1.3. Синхронизируемый RS -триггер
- •21.1.4. Т-триггер
- •21.1.5. Д-триггер
- •21.2.3. Ждущий мультивибратор
- •ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТИРИСТОРАХ
где pt = ^ 1 j Сравнение выражений (2.8) и (2.10)
показывает, что действие обратной связи на коэффициент усиления усилителя при последовательной и параллельной связи аналогично.
Одновременно с уменьшением коэффициента усиления с введением отрицательной обратной связи повышается его стабильность от воздействия различных дестабилизирую щих факторов. К дестабилизирующим факторам относятся: изменение температуры окружающей среды, старение и за мена усилительных элементов и других компонентов схе мы, изменение напряжения питания и т. п.
Оценим стабилизирующее действие отрицательной обрат ной связи на коэффициент усиления. Продифференцировав (2.8) по К, разделив полученное выражение на выражение
dK (2.8) и перегруппировав переменные, будем иметь —^— =
“ T+'ojiiC " ~к~ - Таким образом, нестабильность коэф
фициента усиления усилителя с введением отрицательной обратной связи уменьшается в (1 + офК) раз.
При глубокой связи, когда рК)^ 1, коэффициент уси
ления схемы Кос« -jj-, то есть практически не зависит
от коэффициента усиления К собственно усилителя.
2.2.2. Частотные искажения
Как указывалось в 1.4.5, величина частотных искаже ний в усилителе оценивается коэффициентом частотных
|
|
гг |
. Аналогично для схемы, охва |
|||||
искажений М (1.1) М — |
||||||||
ченной |
отрицательной обратной |
связью, |
можно |
записать |
||||
,, |
Коос |
К,« |
1 + |
оФК |
|
м |
1 + |
«рК |
С“ |
Ко, “ |
1+ар0Ко |
Ка |
~ |
т ' |
1+ар0Ко ’ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
(2. 11) |
где Коос и Ко — модули коэффициента усиления в диапазоне средних частот усилителя, охваченного отрицательной об ратной связью, и при разомкнутой цепи обратной связи соответственно; Коо и К — модули коэффициента усиления на рассматриваемой частоте усилителя, охваченного отри цательной обратной связью, и при разомкнутой обратной связи; Ре и р — модули коэффициента передачи цепи «брат-
ной связи в диапазоне средних частот и на рассматриваемой частоте; а — коэффициент 'передачи входной цепи усили теля.
Учитывая, что обычно в диапазоне нижних и верхних частот рабочей полосы усилителя частотная характеристи ка понижается относительно диапазона средних частот,
можно утверждать, что ^ 1 ^абк |
< 1, и |
следовательно, |
согласно выражению (2.11) М с < |
М. |
связь приво |
Таким образом, отрицательная |
обратная |
|
дит к уменьшению частотных искажений в усилителе. |
||
2.2.3. Нелинейные искажения и помехи |
Предположим, что при синусоидальном сигнале на вхо де усилитель создает на выходе (кроме синусоидального по
лезного сигнала) также напряжение помехи On, которая вызвана нелинейностью характеристик элементов схемы или собственными помехами усилителя.
Если усилитель охвачен отрицательной обратной связью, то полезный сигнал и напряжение помехи, пройдя через контур обратной связи, появятся на выходе ослабленные в (1 + сфК) раз. Такому воздействию подвергнутся все гар монические составляющие помех усилителя, т. е. коэффи циент нелинейных искажений усилителя. Полезный сиг нал также уменьшается, но его величину на выходе можно повысить до прежнего уровня за счет повышения усиления в предыдущихжаскадах, в которых нет нелинейных искаже ний. Следовательно, коэффициент нелинейных искажений К гс усилителя, охваченного отрицательной обратной свя зью, может быть уменьшен по сравнению с его величиной
К г при разомкнутой обратной связи, |
с сохранением задан |
||
ного уровня выходного сигнала |
|
|
|
К - |
Кг |
* |
(2. 12) |
^ гс ~ |
1+сфК |
|
При практических расчетах необходимая глубина об ратной связи может быть определена, если в выражении (2.12) значение К гс приравнять коэффициенту нелинейных искажений Кгз, обусловленному техническим заданием, а значение Кг приравнять расчетному коэффициенту нелиней ных искажений Кгр, полученному в результате анализа схемы
Если в схеме введена отрицательная последовательная обратная связь, как показано на рис. 2.2, а, то с учетом
выражения для фактора обратной связи РК = -г,- , не-
и вх
трудно из выражения (2.13) получить расчетную формулу
для требуемой величины напряжения обратной связи Uoc |
|
иUОС ----— и *х К;гр |
— 1 |
X |
|
При наличии в схеме параллельной отрицательной об ратной связи (рис. 2.2, б) с учетом значения р из выражения (2.10) можно получить расчетную формулу для величины со
противления резистора |
в цепи обратной связи R 00 = Zoc: |
D |
аЯгКГ8(1 + К) |
* ос~ |
СКГР —к гз) • |
2.2.4. Входное сопротивление
Характер изменения входного сопротивления усилите ля определяется способом введения сигнала обратной связи вс входную цепь усилителя и не зависит от способа под ключения цепи обратной связи к выходу усилителя.
Определим входное сопротивление устройства с после довательной отрицательной обратной связью (рио. 2.2, о). Входное сопротивление усилителя при разомкнутой цепи обратной связи
ZttX= |
• |
(2.14) |
|
* ВХ |
|
Входное сопротивление устройства с замкнутой |
цепью |
|
обратной связи |
|
|
2вх.о = |
- т - . |
-(2.15) |
|
Л» |
|
Учитывая, что / г = / вх и для принятых направлений
мгновенных значений напряжений 0 = 0 ВХ + 0 ос, из вы ражения (2.15) с учетом (2.14) после несложных преобра зований получим ZBX.с = ZBX(1 + рК).
Последнее выражение показывает, что последователь ная отрицательная обратная связь увеличивает входное со противление схемы. Положительная последовательная об ратная связь, как легко убедиться, уменьшает входное со противление устройства.
Если же в усилителе применена параллельная обратная связь, как показано на рис. 2.2, б, то положение существен но меняется. Входное сопротивление ZBX.Cопределится как
|
|
ZBX.c = - % - . |
|
(2.16) |
|||
|
|
|
|
* Т |
|
|
|
Учитывая, |
что |
согласно рис. 2.2, б |
|
|
|||
if — 1ъх |
i<y |
/в х |
= |
И |
. |
^вих + ^в |
|
/ о |
|
|
|||||
|
|
|
|
"вх |
|
|
|
из выражения |
(2.16) |
с |
учетом |
выражения (2.10) |
после |
||
|
|
|
|
|
|
z |
|
некоторых преобразований получим ZBX.C= j
Следовательно, при параллельной отрицательной обрат ной связи входное сопротивление той части устройства, ко торая охвачена обратной связью, уменьшается. Поло жительная параллельная обратная связь, как нетрудно убедиться, может увеличивать входное сопротивление уси лителя.
2.2.5. Выходное сопротивление
Характер изменения выходного сопротивления усили теля определяется способом снятия сигнала обратной свя зи с выходной цепи и не зависит от способа введения его во входную цепь. Выходное сопротивление схемы, охваченной последовательной отрицательной обратной связью по на пряжению (рис. 2.2, а), можно найти, используя известное соотношение, справедливое для любой линейной схемы:
Zвых.с |
^вых.х.х |
(2.17) |
|
^вых.к.з |
|||
|
|
||
где {/вых.х.к — выходное |
напряжение усилителя |
при хо |
|
лостом ходе на выходе; |
/ вых.к.з — выходной ток |
усили |
теля при коротком замыкании выходной цепи. 0 ВЫх.х.х определится как произведение входного напряжения усили
теля О вх .х.х и коэффициента усиления усилителя К х.х при холостом ходе на выходе. При коротком замыкании выход ной цепи ее ЭДС равна произведению напряжения UBX.K.»
при коротком замыкании на выходе и К х.х- Тогда выходной
• |
[] |
I/ |
^ ИХК |
'X X |
|
ТОК У.ых.к.3 = |
-----Y 1-----— » гДе 2вых — выходное сопротив- |
|
|
^вых |
ление при |
разомкнутой цепи обратной связи. Согласно (2.17) |
|
выходное |
сопротивление определится |
как |
|
ZBM.t = Z ,ux |
(2.18) |
|
^вх.к.з |
|
Из рис. 2.2, а видно, что входное напряжение усилите ля при холостом ходе и коротком замыкании выходной цепи связано с ЭДС источника сигнала UT и напряжением обрат ной связи Uoc соотношениями
(Jax.x.x = |
в Ф , |
й ОС.Х.х '» |
|
(2.19) |
|
(J вх.к.э = |
|
® ( 0 r |
U ос.к.а)* |
|
(2.20) |
Теперь выражение (2.18) можно переписать как |
|
||||
__ |
/7 |
" Г |
^ О С .Х .Х |
• |
(2. 21) |
вых.с 3=3 ^вых |
у. |
||||
|
|
Uv — иос.кл |
|
|
|
При обратной связи по напряжению |
Оос.к.э = |
0. Опре |
|||
делив 0 Т из выражения |
(2.19), |
после некоторых |
преобра- |
||
|
|
z |
|
|
|
вований найдем ZBUX.e =*---- “А1*.- - . Следовательно, отри-
1 + арК
дательная обратная связь по напряжению уменьшает вы ходное сопротивление устройства. Нетрудно убедиться, чт* положительная обратная связь по напряжению увеличива ет выходное сопротивление.
При отрицательной обратной связи по току, учитывая,
что 1/ос.х.х = 0, определив |
0 Г из выражения (2.20), найдем |
ZnuX.C Z в |
ия |
1 + а — |
|
|
иа |
Отрицательная обратная связь по току увеличивает вы ходное сопротивление схемы при положительной обратной связи, в зависимости от глубины связи, выходное сопротив ление схемы может уменьшаться, стать равным нулю и да же отрицательным.
При наличии в схеме усилителя смешанной обратной
связи в случае, когда 0 ос.х.х = 0 Ж.К.3, выходное сопротив ление, как следует из уравнения (2.21), не меняется Z BUX.c =
= Z выл»
2.3.УСТОЙЧИВОСТЬ УСИЛИТЕЛЕЙ
СОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Впрактике применения усилительных устройств с об ратной связью обратная связь, осуществляемая в области средних частот как отрицательная, может стать положи тельной на краях рабочей полосы и за ее пределами. Это объясняется дополнительными фазовыми сдвигами, вноси мыми усилителем и цепью обратной связи. Тогда коэффи циент усиления устройства с обратной связью будет оп ределяться выражением (2.7). Так как величина фактора
цени обратной |
связи |
может быть различна, то возмо |
жен вариант, |
когда |
|3/С^1. |
В этом случае усилитель может перейти в режим пара зитной генерации или самовозбуждения. Даже если часто та паразитной генерации находится далеко за пределами ра бочего диапазона, усилитель становится непригодным для работы. Поэтому важной задачей при проектировании уси лителя является обеспечение его устойчивости, то есть от сутствия самовозбуждения.
Для перехода схемы в режим самовозбуждения должны быть выполнены два условия — баланса фаз и баланса ам плитуд.
Условие баланса фаз вытекает из требования обеспечения
в схеме положительной обратной связи |
|
Ф = Фк + Фр = 2ял; (п = 0, 1, 2 ...) |
(2.22) |
Условие баланса амплитуд определяется из выражения |
|
(2.7) |
(2.23) |
К Р > 1 . |
С выполнением этого условия Кпс ->оо и схема теряет устойчивость. При этом потери сигнала в цепи обратной свя зи компенсируются усилителем и на выходе схемы суще ствует напряжение даже при отсутствии сигнала на входе. Для исключения самовозбуждения в схеме усилителя с об ратной связью необходимо устранить выполнение хотя бы одного из условий (2.22) или (2.23).
Более подробно проверка на устойчивость многокаскад ных усилителей с обратной связью во всем диапазоне час тот может быть проведена, в частности, с помощью извест ных критериев Найквиста, Михайлова, или Рауса — Гурвитца, которые изучаются в курсе «Теория автоматическо го управления», предусмотренном в учебном плане спе циальности 20.05 — «Промышленная электроника».