Влияние отрицательной ОС на частотные искажения

ЭЛЕКТРОНИКА

Утверждено в качестве учебного пособия

Ученым советом Федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Комсомольск-на-Амуре 2013

УДК 621.38 (07)

ББК 32.85 я7

Г 85

Гринфельд С.Н.(автор-составитель)

Г 85 Электроника: Учебное пособие. – Комсомольск-на-Амуре: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2013. – с.

Изложены принципы работы, синтеза и простейшие методы анализа электронных усилителей; освещены вопросы схемотехники аналоговых устройств на основе операционных усилителей. Даны краткие сведения по микроэлектронике.

Предназначено для студентов электротехнических специальностей заочной формы обучения с использованием дистанционных технологий.

ББК 32.85 я7

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2013.

© Институт новых информационных технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2013.

.

УСИЛИТЕЛИ

1.1. Классификация, основные характеристики
и параметры усилителей

Наиболее важное назначение электронных приборов – усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями (рис. 1.1). Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.д.

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Увеличение мощности, выделяемой в сопротивлении нагрузки, по сравнению с мощностью источника входного сигнала, достигается за счет энергии источника постоянного напряжения, называемого источником питания (при этом соблюдается закон сохранения энергии). Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку. Под воздействием входного сигнала на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, которые и передаются в нагрузку.

Усилители, используемые в современных устройствах, отличаются параметрами, назначением, характером усиливаемых сигналов и т.д.

По характеру усиливаемого сигнала усилители можно разделить на две группы: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов:

Усилители гармонических сигналов (гармонические усилители) предназначены для усиления непрерывных во времени сигналов. При изменении любого параметра сигнала в усилителе возникает переходный процесс: колебание на выходе усилителя достигает установившегося значения через определенное время. Параметры усиливаемого сигнала в гармонических усилителях изменяются значительно медленнее переходных процессов;

Усилители импульсных сигналов (импульсные усилители) предназначены для сигналов, уровень которых меняется настолько быстро, что переходный процесс является определяющим для усиленного сигнала.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот можно выделить следующие группы усилителей:

· усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала, т.е. низшая пропускаемая частота f_н = 0;

· усилители переменного тока, усиливающие только переменную составляющую сигнала.

В свою очередь, усилители переменного тока в зависимости от значений частот f_н и f_в делятся на следующие группы:

ü усилители звуковых частот (УЗЧ) или усилители низких частот (УНЧ), частотный спектр которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц;

ü усилители высокой частоты (УВЧ), имеющих полосу пропускания от десятков килогерц до сотен мегагерц;

ü избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно f_в / f_н ≈ 1). Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах. Часто их называют резонансными или полосовыми;

ü усилители видеочастот, работающие в полосе частот от 50 Гц до 6 МГц. Усилители с f_в > 100 кГц называют широкополосными.

По типу усилительного элемента различают: транзисторные, ламповые, параметрические, квантовые и магнитные усилители.

По конструктивному выполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии и усилители, выполненные с помощью интегральной микросхемотехники.

Приведенные классификационные признаки являются далеко не полными. Можно подразделять усилители по электрическому параметру усиливаемого сигнала. По этому признаку усилители подразделяют на усилители напряжения, тока или мощности (такое разделение условно, так как в любом случае усиливается мощность). По числу усилительных каскадов усилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные и т.д.

Работу усилителей принято оценивать рядом технических показателей и характеристик, которые зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения. Важнейшими техническими показателями являются:

· коэффициенты усиления;

· входные и выходные сопротивления;

· выходная мощность;

· КПД;

· номинальное входное напряжение (чувствительность);

· диапазон усиливаемых частот;

· динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех;

· а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Коэффициент усиления представляет собой отношение параметров выходного сигнала к входному. Коэффициент усиления в зависимости от характера входных и выходных величин подразделяют на:

коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

коэффициент усиления по мощности

.

В общем случае К_U и K_I – комплексные величины, зависящие от частоты сигнала.

В области средних частот входные и выходные напряжения и токи не зависят от частоты. И коэффициенты усиления на этих частотах являются действительными величинами. Коэффициент усиления по мощности К_Р – всегда действительное число.

.

Коэффициенты усиления выражают не только в относительных единицах, но и в логарифмических – децибелах (дБ):

;

;

.

Коэффициент усиления усилителя не является величиной строго постоянной, а зависит от ряда факторов: частоты и амплитуды сигнала, напряжения источника питания и т.д.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К_u= К_u1К_u2К_u3….

или

К_{u дБ} = К_{u1 дБ} +К_{u2 дБ} +К_{u3 дБ} +…..

Входное сопротивление усилителя представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Оно равно:

.

Выходное сопротивление (R_вых) определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки (R_н). Оно равно:

.

Входное и выходное сопротивления усилителя, как и сопротивление нагрузки, в общем случае имеют комплексный характер, но входной и выходной токи и напряжения обычно определяются в условиях, при которых эти сопротивления можно считать активными.

Номинальная выходная мощность – максимальная мощность на выходе, при которой нелинейные искажения не превысят допустимого уровня. При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна:

.

Коэффициент полезного действия выходной цепи усилителя – это отношение мощности сигнала, отдаваемой в нагрузку усилителя (Р_н) к мощности, потребляемой выходной цепью от источника питания (Р_о):

.

Номинальное входное напряжение (чувствительность) – это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе номинальную мощность. Чем меньше значение входного напряжения, обеспечивающего номинальную мощность, тем выше чувствительность.

К основным характеристикам усилителя относятся: амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, амплитудно-фазовая и переходная.

Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от амплитудного или действующего входного напряжения при некоторой постоянной частоте:

.

Амплитудная характеристика усилителя (рис. 6.2) проходит не через начало координат, так как в реальных усилителях при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Напряжение шумов обусловлено пульсациями напряжения источника питания, а также напряжением нестационарных процессов определяемых структурой активных и пассивных элементов схемы. Значение общих помех на выходе усилителя должно быть значительно меньше напряжения усиленного сигнала:

В противном случае из хаотически изменяющегося напряжения помех нельзя будет выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение ограничивается появлением нелинейных искажений. При больших входных сигналах (U_вх = U_{вх max}) пропорциональность между U_вых и U_вх нарушается из-за нарушения пропорциональной зависимости между входным и выходным токами транзистора.

В рабочем диапазоне амплитуд входного сигнала (U_{вх min} ... U_{вх max}) амплитудная характеристика имеет форму прямой линии, а угол наклона определяется коэффициентом усиления усилителя по напряжению на данной частоте. По амплитудной характеристике усилителя определяют динамический диапазон амплитуд (Д).

Динамический диапазон амплитуд – это отношение максимально допустимой амплитуды входного напряжения к его минимальному значению:

или в децибелах

.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (рис. 6.3) – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала:

k = f(f).

При построении амплитудно-частотной характеристики(АЧХ) по вертикальной оси (см. рис. 6.3) откладывают значение k_U в относительных единицах или децибелах, а по горизонтальной оси – частоту (f), как правило, в логарифмическом масштабе.

По АЧХ определяют полосу пропускания усилителя:

∆f = f_в – f_н.

Диапазон усиливаемых частот или полоса пропускания – это область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям. В УНЧ эти изменения не превышают 3 дБ или в относительных единицах .

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями от частоты:

φ = f(f).

Фазовые сдвиги в усилителях обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. График ти­пичной фазочастотной характеристики усилителя переменно­го напряжения показан на рис. 6.4.

Амплитудно-фазовая характеристика(АФХ) – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 6.5). Она объединяет в себе амплитудно- и фазочастотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента K(jw).

Переходная характеристика (рис. 6.6) используется при анализе импульсных усилителей, предназначенных для усиления импульсов различной формы. Эта характеристика представляет собой зависимость мгно­венного значения выходного напряжения или тока сигнала от времени при действии на входе единичного скачка напряжения или тока.

Искажения в усилителях

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе форма сигнала на выходе должна точно повторять форму входного сигнала. Отклонение формы выходного сигнала от формы сигнала, подаваемого на его вход, называется искажением. В усилителях различают два вида искажений – линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму входного сигнала, но причины их появления различны.

Линейные искажения обусловлены зависимостью модуля коэф­фициента усиления напряжения или тока, а также фазового сдвига между входными и выходными величинами от часто­ты входного сигнала. Линейные искажения можно разделить на частотные и фазовые.

Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работаю­щего в линейном режиме, будет отличаться от входной в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые ука­занными причинами изменения формы выходного сигнала на­зывают соответственно частотными и фазовыми искажениями.

Частотные искажения – это искажения, обусловленные изменением значения коэффициента усиления на различных частотах. Идеальная АЧХ должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот. Снижение коэффициента усиления на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов

х_C = 1 / wC

по мере снижения частоты сигнала.

Снижение K_U на высших частотах объясняется влиянием паразитных емкостей «коллектор – база», «коллектор – эмиттер» и «база – эмиттер», а также паразитных емкостей, которые возникают при монтаже. Эти емкости на высоких частотах приводят к закорачиванию транзисторов и снижению усиления сигнала.

Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений (M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (K_ср) к коэффициенту усиления на данной частоте (K_¦):

M = K_ср/ K_¦.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеются на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах, т.е.

M_н = K_ср/ K_н и M_в = K_ср/K_в.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением фазовых искажений. При усилении синусоидального сигнала с неизменной час­тотой линейные искажения не играет большой роли: на одной определенной частоте всегда можно добиться доста­точного усиления, а фазовые сдвиги скомпенсировать. Проб­лема линейных искажений возникает тогда, когда сигнал имеет сложную форму. Для такого сигнала фазочастотные искажения не менее, а часто более существен­ны, чем амплитудно-частотные.

Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляющих сигнала после прохождения через усилитель.

Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 6.7, а и б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол φ = π/4. Из графика (рис. 6.7, б) видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя.

Фазочастотные искажения от­сутствуют при отсутствии относительного сдвига гармоник. Для этого должно соблюдаться условие:

j_n = nj₁.

Это условие выполняется, если фазочастотная характеристика линейна (рис. 6.7, в):

j = aw

В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения в усилителях обусловлены наличием нелинейных элемен­тов, в первую очередь, транзисторов, а также других элементов с нелинейными ВАХ. Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой.

При входном сигнале синусоидальной формы нелинейные искажения проявляются в том, что выходной сигнал не явля­ется синусоидальным. При разложении в ряд он оказывается состоящим из основной гармоники, имеющей частоту вход­ного сигнала, и ряда высших гармоник. Величина нелинейных искажений в случае синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений

При наличии нелинейных искажений напряжение или ток первой гармоники является полезным усиленным сиг­налом. Все высшие гармоники, начиная со второй, являются следствием нелинейных искажений. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармоник, и при усилении синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений (клирфактором):

,

где n – номер гармоники.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, так как более высокие гармоники выходного сигнала обычно имеют малую мощность. B многокаскадных усилителях (когда каскады вносят примерно одинаковые нелинейные искажения) общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений каждого каскада:

K_г ≈ K_г1 + K_г2 + … + K_гn

B общем случае нелинейные искажения отдельных кас­кадов могут частично компенсировать друг друга вслед­ствие сдвига колебаний по фазе. Реальные усиливаемые сигналы в большинстве случаев отличаются от синусоидаль­ных. При их усилении возникают новые гармоники и гар­моники комбинационных частот, поэтому величина K_г не дает полной оценки уровня нелинейных искажений сигнала со сложным спектральным составом.

B многокас­кадных усилителях наибольшие нелинейные искажения обычно возникают в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

При отсутствии линейных искажений (т.е. реактивных элементов в схеме усилителя) соотношение основной и выс­ших гармоник на выходе не зависит от частоты входного сиг­нала, а зависит только от его амплитуды; характерно также отсутствие какого бы то ни было сдвига фаз между входным и выходным сигналами.

Сигнал сложной формы, очевидно, сам состоит из ряда гармоник. Поэтому его нелинейные искажения проявляются либо в возникновении дополнительных гармоник, либо (в слу­чае бесконечного ряда гармоник на входе) – в изменении «спектрального состава гармоник», т.е. соотношения их ам­плитуд.

Следует отметить, что между линейными и нелинейными искажениями существует связь, несмотря на их различное происхождение. Пусть, например, в каком-либо промежуточ­ном каскаде усилителя получились нелинейные искажения, т.е. появились высшие гармоники. Эти гармоники могут быть либо дополнительно подчеркнуты, либо частично подавлены, в зависимости от вида частотных характеристик последую­щих каскадов.

Полное отсутствие нелинейных искажений принципиально невозможно, потому что в усилителях используются такие управляющие элементы, как биполярные или полевые тран­зисторы. На рис.6.8 приведен пример возникновения нелинейных искажений, обусловленные нелинейностью ВАХ биполярного транзистора. Из графиков видно, что при подаче на базу транзистора напряжения синусоидальной формы входной ток базы будет отличаться от синусоиды.

Обратные связи в усилителях

Виды обратных связей

Чтобы усилительные каскады позволили реализовать требуемые высокие технические показатели, практически во всех современных электронных усилителях вводятся специальные цепи обратной связи (ОС). При ОС энергия сигнала передается в направлении обратном направлению усиливаемого сигнала (рис. 6.9), т.е. от последующих цепей в предшествующие (из выходных цепей усилителя во входные).

Усилитель с коэффициентом усиления K_u, охвачен цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь ОС совместно с цепью усилителя, которую она охватывает, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС.

Произведение

β K_u

в усилительной технике называют петлевым усилением или фактором ОС.

Обратная связь влияет на такие показатели усилителей (усилительных каскадов), как сквозной коэффициент усиления, входное и вы­ходное сопротивления, стабильность коэффициента усиления, АЧХ, коэффициент гармоник и уровень шума и помех. Обратная связь изменяет технические показатели только той части усилителя, которая охватывается петлей ОС. Различают однопетлевую обратную связь (см. рис. 6.9) и многопетлевую (рис. 6.10).

Обратная связь, охватывающую лишь один каскад усилителя (цепи с β₁ и β₂), называют местной ОС, а ОС, охватывающую несколько каскадов (цепь с β) – общей ОС (см. рис. 6.10). В зависимости от схемной реализации усилителя ОС может быть осуществлена по постоянному току, по переменному току, а также и по постоянному и по переменному току.

В зависимости от способа получения сигнала U_oc различают ОС по току и напряжению:

· если цепь ОС подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке (R_н), то напряжение ОС (U_ос) будет пропорционально напряжению на выходе, такую ОС называют ОС по напряжению(рис. 6.11, a);

· если же цепь ОС подключена к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет пропорционально току в нагрузке (I_н); такую ОС называют ОС по току(рис. 6.11, б).

Возможна комбинация этих способов подключения цепи ОС к выходу, в этом случае сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи. Эта ОС называется комбинированной (рис. 6.11, в).

По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС и смешанную:

· обратную связь называют последовательной, если сигнал ОС действует во входной цепи последовательно с входным сигналом (U_вх), при этом происходит суммирование входного напряжения (U_вх)и напряжения ОС (рис. 6.12, а);

· если же цепь ОС подключается ко входу параллельно источнику сигнала, то ОС называют параллельной (рис. 6.12, б). При этой связи происходит суммирование токов I_вх и ОС;

·
в смешанной схеме введения ОС с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС (рис. 6.12, б).

Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительная ОС(ПОС) возникает в том случае, когда напряжение обратной связи (U_ос) совпадает по фазе с входным напряжением (U_вх). Если напряжение обратной связи (U_ос) противоположно по фазе входному напряжению (U_вх), т.е. они сдвинуты относительно друг друга на 180º, то ОС называется отрицательной(ООС). В усилительных устройствах в основном применяется ООС.

И, наконец, если коэффициент передачи обратной связи (β) в рабочем диапазоне частот усиления не зависит от частоты, то ОС называется частотно-независимой. Если же β является функцией частоты, то ОС называется частотно-зависимой.

Наиболее распространенной в усилителях является последовательная отрицательная ОС по напряжению (рис. 6.13). Рассмотрим влияние этого вида ОС на характеристики и параметры усилителя. Здесь усилитель с коэффициентом усиления

K = U_вых / U^*_вх

охвачен ОС с коэффициентом передачи

β = U_ос / U_вых,

где коэффициент β может принимать значения от 0 до +1 при положительной ОС и от 0 до -1 при отрицательной ОС.

В общем случае напряжение ОС определяется из выражения:

U_ос = ± βU_вых.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, равен:

K_ос = U_вых / U_вх.

Напряжение U*_вх, поступающее на вход усилителя, в общем случае является суммой напряжений U_вх и U_ос:

U*_вх = U_вх + U_ос.

Учитывая, что

U_ос = ± βU_вых,

получим:

U*_вх = U_вх + ( ± βU_вых).

Отсюда

U_вх = U*_вх – ( ± βU_вых).

Тогда коэффициент усиления усилителя с ОС равен:

K_ос = U_вых / [U*_вх – ( ± βU_вых)].

Разделим числитель и знаменатель последнего выражения на U*_вх, получим:

K_ос = [U_вых / U*_вх ] / [ 1 – ( ± βU_вых / U*_вх)],

Но

U_вых / U*_вх = K.

Таким образом, выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного ОС, принимает вид:

K_ос = K / [1 – ( ± βK)],

где (1 ± βK) – называют глубиной ОС. Знак перед фактором ОС βK совпадает со знаком самой ОС.

При положительной ОС знаменатель дроби уменьшается:

K_ос = K / [1 – βK],

а коэффициент усиления возрастает. Значение петлевого усиления при этом ограничивается условием:

βK < 1.

При βK ≥ 1, называемого условием самовозбуждения, усилитель теряет устойчивость и не может рассматриваться как усилитель, так как выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного. Этот режим используется в генераторах.

При отрицательной ОС знаменатель возрастает:

K_ос = K / [1 + βK],

а коэффициент усиления падает.

Несмотря на уменьшение усиления, отрицательная ОС широко используется в усилителях, так как при ее введении удается улучшить ряд других параметров.

Особое значение для работы усилителя имеет стабильность коэффициента усиления. При работе усилителя его коэффициент усиления не остается постоянным, а изменяется вследствие различных дестабилизирующих факторов: старения усилительных и других элементов, изменения температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения источника питания и т.д.

Изменение коэффициента усиления оценивается относительным изменением коэффициента усиления:

или

С учетом, что

,

.

Таким образом, относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной ОС, уменьшается в (1 + βK) раз.

При βK >> 1 (при глубокой ОС)

.

То есть коэффициент усиления схемы, охваченной глубокой отрицательной ОС, практически не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а определяется только коэффициентом передачи ОС. Цепь ОС состоит из пассивных элементов, резисторов, которые можно выполнить очень стабильными. В результате удается создавать усилители с очень высокой стабильностью усилителя.

1.3.2. Влияние последовательной отрицательной ОС по напряжению
на входное и выходное сопротивления усилителя

Входное сопротивление усилителя в основном зависит от способа подачи напряжения отрицательной ОС во входную цепь и не зависит от того, каким образом это напряжение снимается с выхода усилителя. Входное сопротивление усилителя с ОС (см. рис. 6.13) равно:

R_{вх ос} = U_вх / I_{вх ос}.

Напряжение на входных зажимах усилителя при отрицательной ОС:

U_вх = U*_вх + U_ос; (6.1)

U_ос = U*_вх βK; (6.2)

U*_вх = I_{вх ос} R_вх. (6.3)

Подставим выражения (6.2) и (6.3) в выражение (6.1), получим:

U_вх = I_{вх ос} R_вх (1 + βK);

R_вхос = R_вх (1 + βK). (6.4)

Из выражения (6.4) видно, что введение последовательной отрицательной ОС эквивалентно включению последовательно со входным сопротивлением усилителя дополнительного сопротивления (R_вх βK).

Таким образом, применение последовательной отрицательной ОС позволяет при больших значениях петлевого усиления (βK) получать достаточно высокое (десятки мегаом) входное сопротивление.

Выходное сопротивление усилителя в отличие от его входного зависит от того, как снимается напряжение ОС (пропорционально выходному напряжению или пропорционально выходному току), но не зависит от способа подачи напряжения ОС во входную цепь.

Выходное сопротивление усилителя с отрицательной ОС по напряжению равно:

R_{вх ос} = R_вых / (1 + βK).

То есть при введении этого вида ОС выходное сопротивление уменьшается в
(1 + βK) раз, что позволяет реализовать усилитель с малым (единицы ом) выходным сопротивлением, приближая его выходную цепь к идеальному источнику напряжения, выходной сигнал которого мало изменяется при различных сопротивлениях нагрузки.

1.3.3. Влияние отрицательной ОС на нелинейные
искажения и помехи

Вследствие нелинейных искажений в выходном сигнале каскада появляется ряд высших гармоник. Тогда при введении отрицательной ОС напряжение U_ос также содержит ряд высших гармоник. Но так как напряжение U_ос подается на вход усилителя в противофазе с входным сигналом (U_вх), то напряжение на выходе усилителя, вызванное напряжением ОС, будет также в противофазе с выходным напряжением каскада. В результате, это уменьшит амплитуды высших гармоник, т.е. нелинейные искажения уменьшатся.

Отрицательная ОС уменьшает искажения, возникающие в усилителе, во столько раз, во сколько изменяется коэффициент усиления усилителя, т.е. коэффициент гармоник

K_{г ос} = K_г / (1 + βK)

уменьшается прямо пропорционально глубине ОС. Следует заметить, что отрицательная ОС уменьшает в (1 + βK) раз помехи и шумы, возникающие в усилителе.

Наибольшую величину нелинейных искажений обычно создает выходной каскад усилителя, так как он работает при больших амплитудах входного сигнала. Поэтому отрицательную ОС наиболее часто используют в мощных выходных каскадах

Усилители низкой частоты

Назначение усилителя, в конечном итоге, состоит в получении на заданном сопротивлении нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.

Большинство источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Реальный усилитель составляют из нескольких последовательно включенных усилительных каскадов (рис. 1.15).

Первые каскады усилителя работают при относительно малом уровне сигнала. Слабый входной сигнал усиливается с помощью каскадов предварительного усиления (КПУ). Число КПУ зависит как от уровня входного сигнала, так и от уровня сигнала, необходимого для подачи на вход предоконечного каскада усиления (ПОКУ).

Поскольку при проектировании усилителя всегда стремятся уменьшить число каскадов, в каждом из них реализуют по возможности большее усиление. При самом высоком уровне сигнала в усилителе обычно работают оконечный каскад усиление (ОКУ), а иногда и предоконечный, которые должны обеспечить этот высокий уровень. Если на активной нагрузке должен быть получен требуемый уровень выходной мощности, ОКУ называется усилителем мощности. Оконечные каскады усиления часто выполняются по двухтактной схеме, тогда ПОКУ, помимо обеспечения требуемого усиления, выполняет роль согласующего звена между выходом КПУ и входом ОКУ.

1.5. Каскады предварительного усиления

Каскад с ОЭ

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по мощности. В простейшей схеме усилительного каскада с ОЭ с одним источником питания (рис. 1.16) коллектор транзистора подключен через резистор R_к к источнику питания Е_к, входной сигнал подается на базу транзистора относительно общей точки. Выходной сигнал снимается с коллектора, относительно той же заземленной точки.

Конденсаторы C_p1 и C_p2 играют роль разделительных элементов. Разделительный конденсатор C_p1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора C_p2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения U_кэ.

Для нормальной работы любого усилителя необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на транзисторе. Этот режим называют статическим или режимом покоя усилительного каскада. Постоянные токи и напряжения в цепях усилительного элемента (УЭ), соответствующие этому режиму называют токами и напряжениями покоя. Они определяют на входных и выходных статических характеристиках УЭ точку покоя (ТП). На рис. 6.17 показана работа каскада усиления при неправильно выбранной рабочей точке покоя.

Резистор R_б (см. рис. 1.16) в цепи базы обеспечивает выбор рабочей ТП на характеристиках транзистора (см. рис. 6.17) и определяет режим работы каскада постоянному току. Значение сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

.

Цепь протекания постоянных токов в этой схеме:

1) ток эмиттера I_эп протекает по цепи общий провод, «эмиттер – база» транзистора, затем разделяется на ток базы I_бп и ток коллектора I_kп;

2) I_бп протекает через резистор R_б и источник питания Е_к;

₃₎ ток коллектора I_kп протекает через КП транзистора, резистор R_к и источник питания Е_к.

Приведенная схема получила название схемы с фиксированным током баз