Усилители с обратной связью

Обратная связь находит широкое использование в разнообразных электронных устройствах. Особую роль обратная связь играет в микроэлектронных усилителях. Можно утверждать, что без ее широкого использования было бы крайне трудно осуществить серийный выпуск линейных ИМС.

Обратной связью называется передача энергии из выходной цепи усилителя во входную. Выходной сигнал может поступать на вход устройства полностью или только частично. Сниматься сигнал обратной связи может как с выхода всего устройства, так и с какого-либо промежуточного каскада и подаваться может как на вход всего устройства, так и во входную цепь промежуточного каскада. Обратную связь, охватывающую один каскад, принято называть местной, а охватывающую весь многокаскадный усилитель - общей.

Структурная схема усилителя с обратной связью приведена на рис. 2.21. Здесь коэффициент усиления устройства Усилители с обратной связью - student2.ru и коэффициент обратной связи Усилители с обратной связью - student2.ru обозначены в виде комплексных величин. Этим утверждается наличие фазового сдвига в ОНЧ и ОВЧ за счет реактивных элементов в самом усилителе и в цепи обратной связи. Коэффициент Усилители с обратной связью - student2.ru представляет собой отношение сигнала обратной связи, поступающего на вход с выхода устройства, к выходному сигналу.

Усилители с обратной связью - student2.ru Обратная связь вводится в усилитель для изменения его характеристик и параметров в нужном направлении. Обратная связь может возникать за счет (обычно нежелательного) влияния выходных цепей на входные (паразитная обратная связь), через общие цепи питания.

Наличие обратной связи может привести к увеличению либо к уменьшению сигнала на выходе устройства и соответственно коэффициента усиления. В первом случае фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются - такую обратную связь называют положительной (ПОС). Во втором случае фазы противоположны и амплитуды сигналов вычитываются - такую обратную связь называют отрицательной (ООС). Положительная обратная связь находит применение в различных генераторах, а иногда и частотно-избирательных усилителях. В большинстве же усилителей положительная обратная связь является нежелательной и используется крайне редко.

Основное применение в усилительных устройствах находит отрицательная обратная связь (ООС). Она позволяет повысить стабильность работы усилителей, а также улучшить другие важные параметры и характеристики. Сразу следует подчеркнуть, что снижение коэффициента усиления в современных усилительных устройствах за счет ООС не является очень значительным фактором, поскольку широко используются микроэлектронные структуры с большими собственными коэффициентами усиления (имеет место значительный запас по величине Усилители с обратной связью - student2.ru ).

В усилителях применяют различные виды отрицательной обратной связи, которые различают по способу подачи сигналов ООС во входную цепь усилителя и по способу снятия с выхода усилителя. Если во входной цепи усилителя вычитается ток цепи обратной связи из тока входного сигнала, то ООС называют параллельной. Если же во входной цепи вычитаются напряжения входного сигнала и обратной связи, то ООС называют последовательной.

По способу получения (снятия) сигнала обратной связи различают ООС по напряжению, когда сигнал ООС пропорционален Усилители с обратной связью - student2.ru усилителя, и ООС по току, когда сигнал ООС пропорционален току через нагрузку. При последовательной обратной связи по напряжению с выхода усилителя снимается часть выходного напряжения Усилители с обратной связью - student2.ru , которая во входной цепи алгебраически складывается с Усилители с обратной связью - student2.ru . На рис. 2.22 приведена структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению . Напряжение обратной связи Усилители с обратной связью - student2.ru , где Усилители с обратной связью - student2.ru (обычно Усилители с обратной связью - student2.ru ). Здесь во входной цепи усилителя действует напряжение, равное Усилители с обратной связью - student2.ru .

Усилители с обратной связью - student2.ru

Прежде всего, рассмотрим влияние последовательной обратной связи по напряжению на коэффициент усиления по напряжению. Для усилителя, охваченного обратной связью, можно записать

Усилители с обратной связью - student2.ru .

Напомним, что коэффициент усиления по напряжению усилителя без обратной связи Усилители с обратной связью - student2.ru . Поэтому, для усилителя с ООС можно получить

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.25)

Величины Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru комплексные, но для простоты изложения будем использовать их действительные значения, что соответствует области средних частот работы усилителя. Формула (2.25) справедлива для случая ООС. В этом легко убедиться, поскольку Усилители с обратной связью - student2.ru . Отметим, что при положительной обратной связи в знаменателе правой части (2.25) следует использовать знак « - ».

Из (2.25) следует, что при последовательной ООС по напряжению стабилизируется величина Усилители с обратной связью - student2.ru . Так, например, при Усилители с обратной связью - student2.ru Усилители с обратной связью - student2.ru за счет каких-либо причин возрос на 50%, но Усилители с обратной связью - student2.ru при этом увеличится лишь примерно на 0,2%.

Введем понятие глубины обратной связи, которая для ООС равна

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.26)

На основании (2.26) можно заключить, что глубина ООС возрастает при увеличении Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru . При очень глубокой ООС Усилители с обратной связью - student2.ru , поэтому в данном случае (2.25) можно переписать в следующем виде:

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.27)

Из выражения (2.27) следует очень важный вывод, что при глубокой ООС Усилители с обратной связью - student2.ru удается практически полностью исключить влияние параметров транзистора и всего усилителя (в частности, Усилители с обратной связью - student2.ru ) на его коэффициент усиления Усилители с обратной связью - student2.ru . Здесь уже не будут влиять такие факторы, как изменение температуры, радиационное воздействие, разброс параметров, старение и др. . Введение глубокой последовательной ООС по напряжению обеспечивает стабильность коэффициента усиления по напряжению. Коэффициент усиления по (2.27) определяется Усилители с обратной связью - student2.ru , т. е. отношением номиналов двух резисторов.

Усилители с обратной связью - student2.ru Улучшение стабильности коэффициента усиления с помощью ООС также широко используется для расширения АЧХ усилителя. На рис. 2.23 приведена АЧХ для Усилители с обратной связью - student2.ru усилителя без ООС; там же приведена АЧХ и для Усилители с обратной связью - student2.ru .

АЧХ удобно рассчитывать с помощью (2.25). Поскольку Усилители с обратной связью - student2.ru , то Усилители с обратной связью - student2.ru однозначно определяется Усилители с обратной связью - student2.ru . При отклонении частоты сигнала в ОНЧ или ОВЧ уменьшается Усилители с обратной связью - student2.ru , но падает и глубина ООС, т. е. Усилители с обратной связью - student2.ru . В результате Усилители с обратной связью - student2.ru изменяется слабо и реализуется АЧХ с широкой полосой пропускания. Таким образом, можно заключить, что наличие ООС уменьшает частотные искажения, т. е. снижает Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru .

С помощью ООС удается уменьшить нелинейные искажения, а также влияние помех в усилителе. Поскольку с увеличением Усилители с обратной связью - student2.ru будет уменьшаться напряжение непосредственно на входе усилителя (на базе или затворе транзистора), то его работа станет осуществляться на меньшем участке ВАХ активного элемента. Уменьшение рабочих размахов токов и напряжений на участках ВАХ и приведет к уменьшению коэффициентов гармоник. С некоторым приближением можно считать, что ООС обеспечивает работу усилителя на участках ВАХ с малой нелинейностью. Для коэффициента нелинейных искажений усилителя Усилители с обратной связью - student2.ru , охваченного ООС, можно записать Усилители с обратной связью - student2.ru . Это обстоятельство в ряде случаев оказывает решающее значение, особенно для выходных каскадов усилителя.

Входное сопротивление в усилителе с ООС Усилители с обратной связью - student2.ru определяется способом подачи сигналов обратной связи во входную цепь. При последовательной ООС по напряжению Усилители с обратной связью - student2.ru можно представить как Усилители с обратной связью - student2.ru . Поскольку Усилители с обратной связью - student2.ru , то после проведения преобразований можно получить

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.28)

Из (2.28) видно, что последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя в F раз. Это имеет важное значение для входных каскадов усилителей, работающих от источников (датчиков) входного сигнала с большим внутренним сопротивлением Усилители с обратной связью - student2.ru .

Выходное сопротивление усилителя с ООС Усилители с обратной связью - student2.ru определяется способом снятия сигнала обратной связи с выхода устройства. При последовательной ООС по напряжению Усилители с обратной связью - student2.ru усилителя меньше зависит от тока нагрузки, что соответствует уменьшению его выходного сопротивления. Для рассматриваемого вида ООС можно записать:

Усилители с обратной связью - student2.ru , (2.29)

откуда следует, что последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление в F раз. Таким образом, чем глубже OОC, тем меньше Усилители с обратной связью - student2.ru . Это имеет важное значение в усилителях напряжения, поскольку позволяет значительно снизить зависимость выходного напряжения от Усилители с обратной связью - student2.ru .

Изложенное выше позволяет заключить, что последовательная ООС по напряжению уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по напряжению; снижает линейные и нелинейные искажения; повышает входное и уменьшает выходное сопротивления усилителя.

Последовательная обратная связь по току отличается от последовательной обратной связи по напряжению только выходной частью структурной схемы, т. е. только способом снятия сигнала обратной связи с выхода усилителя. При последовательной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор Усилители с обратной связью - student2.ru , падение напряжения на котором пропорционально выходному току. На рис. 2.24,а приведена выходная часть структурной схемы усилителя с обратной связью по току. Во входной цепи усилителя с последовательной обратной связью Усилители с обратной связью - student2.ru алгебраически складывается с входным напряжением, как и в усилителе на рис. 2.22. Из рис. 2.24,а следует, что Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru .

Усилители с обратной связью - student2.ru

Поскольку во входной цепи усилителя складываются напряжения для последовательных ООС по напряжению и току, то формула (2.25) является общей для любой последовательной ООС. При глубокой ООС по току выражение (2.25) можно преобразовать к следующему виду:

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.30)

Из (2.30) следует вывод о стабильности Усилители с обратной связью - student2.ru , но этот вывод здесь справедлив лишь при Усилители с обратной связью - student2.ru . Таким образом, различного рода внешние воздействия, разброс параметров транзисторов не оказывают существенного влияния на Усилители с обратной связью - student2.ru усилителя с глубокой последовательной ООС по току. Однако такой усилитель весьма чувствителен к изменениям сопротивления нагрузки.

Входное сопротивление усилителя с ООС, как отмечалось выше, определяется способом подачи сигналов во входную цепь. Поскольку и в данном случае используется последовательная ООС, оказывается справедливой формула (2.28) со всеми вытекающими из нее выводами. Способ снятия сигнала обратной связи с выхода усилителя не влияет на Усилители с обратной связью - student2.ru , и совершенно неважно, какая ООС используется по напряжению или току.

Наиболее существенное отличие последовательных ООС по напряжению и току проявляется через Усилители с обратной связью - student2.ru . Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия сигнала обратной связи с выхода устройства. При этом способ подачи сигнала ООС во входную цепь не играет никакой роли. Для Усилители с обратной связью - student2.ru усилителя, охваченного ООС, по току можно записать следующее выражение: Усилители с обратной связью - student2.ru , откуда следует, что выходное сопротивление возрастает.

Изложенное выше позволяет заключить, что последовательная ООС по току стабилизирует коэффициент усиления при постоянной нагрузке, снижает искажения, повышает входное и выходное сопротивления усилителя.

Параллельная обратная связь по току отличается, от последовательной обратной связи по току только входной частью структурной схемы усилителя с параллельной обратной связью. Здесь напряжение Усилители с обратной связью - student2.ru образует ток обратной связи Усилители с обратной связью - student2.ru , протекающий через дополнительный резистор R. Во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение Усилители с обратной связью - student2.ru и тока входного сигнала. Полная структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по току просто формируется из ее частей, изображенных на рис. 2.24, где Усилители с обратной связью - student2.ru Усилители с обратной связью - student2.ru , а коэффициент обратной связи по току Усилители с обратной связью - student2.ru . Глубина ООС по току Усилители с обратной связью - student2.ru .

Поскольку основное применение параллельная ООС по току находит в усилителях тока, наиболее интересным является ее воздействие на коэффициент усиления по току Усилители с обратной связью - student2.ru . Аналогично (2.25), находим

Усилители с обратной связью - student2.ru (2.31)

где Усилители с обратной связью - student2.ru - коэффициент усиления по току усилителя без ООС. Точно так же, как при ООС по напряжению стабилизируется Усилители с обратной связью - student2.ru , при параллельной ООС по току стабилизируется - Усилители с обратной связью - student2.ru . Здесь значительно снижается влияние внешних факторов и разброса параметров на Усилители с обратной связью - student2.ru . При глубокой параллельной ООС по току (2.31) преобразуется к виду Усилители с обратной связью - student2.ru . Коэффициент усиления по току будет определяться лишь отношением двух резисторов. Отметим также, что введение параллельной ООС по току уменьшает линейные и нелинейные искажения токовых сигналов.

Поскольку входное сопротивление усилителя с ООС определяется лишь способом подачи сигнала обратной связи во входную цепь, то для параллельной ООС можно записать: Усилители с обратной связью - student2.ru . Здесь во входной цепи усилителя складываются токи. Таким образом, параллельная ООС уменьшает Усилители с обратной связью - student2.ru , причем Усилители с обратной связью - student2.ru обратно пропорциональна глубине ООС по току.

Как было показано выше, ООС по току способствует увеличению выходного сопротивления усилителя. При параллельной ООС по току Усилители с обратной связью - student2.ru увеличивается пропорционально возрастанию Усилители с обратной связью - student2.ru .

Итак, параллельная ООС по току уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по току, снижает искажения токовых сигналов, уменьшает входное и увеличивает выходное сопротивления усилителя.

При параллельной обратной связи по напряжению с сопротивления нагрузки снимается выходное напряжение, которое во входной цепи образует ток обратной связи, протекающий через резистор R. Структурную схему усилителя с параллельной обратной связью по напряжению можно составить из входной части, справедливой для параллельной обратной связи (рис. 2.24, б), и выходной части, справедливой для обратной связи по напряжению (выходная часть на рис. 2.22).

При глубокой параллельной ООС по напряжению нетрудно получить

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.32)

Сравним (2.30) и (2.32): если при последовательной ООС по току Усилители с обратной связью - student2.ru стабилен при Усилители с обратной связью - student2.ru , то в данном случае, при параллельной ООС по напряжению Усилители с обратной связью - student2.ru стабилен при Усилители с обратной связью - student2.ru .

Итак, параллельная ООС по напряжению стабилизирует коэффициент усиления по напряжению при постоянном сопротивлении источника сигнала, снижает искажения, уменьшает выходное и входное сопротивления усилителя.

В разделах 2.2 и 2.3 уже были рассмотрены усилительные каскады, в которых использовалась ООС. Теперь остановимся подробнее на способах создания ООС и ее влияния на параметры конкретных усилителей.

В эмиттерном (см. рис. 2.14) и истоковом (см. рис. 2.20) повторителях имеет место 100%-ная последовательная ООС по напряжению. Прежде всего, рассмотрим еще раз эмиттерный повторитель. Напомним, что входное напряжение в нем прикладывается между базой транзистора и общей шиной, а выходное напряжение снимается между эмиттером и общей шиной. Таким образом, к эмиттерному переходу транзистора оказывается приложенным управляющее напряжение, равное Усилители с обратной связью - student2.ru . Поскольку во входной цепи происходит алгебраическое сложение напряжений, то данная обратная связь является последовательной. Так как сигнал обратной связи снимается с нагрузки (с выхода усилителя) и пропорционален Усилители с обратной связью - student2.ru , то такая обратная связь является связью по напряжению. Поскольку напряжение обратной связи Усилители с обратной связью - student2.ru составляет не часть, а все Усилители с обратной связью - student2.ru , обратная связь является 100%-ной. Во входной цепи происходит вычитание амплитуд напряжений входного сигнала и сигнала обратной связи, т. е. уменьшается управляющий сигнал между базой и эмиттером транзистора, поэтому связь оказывается отрицательной.

Для определения способа получения сигнала обратной связи с выхода усилителя удобно пользоваться методом короткого замыкания (КЗ) нагрузки. В реальном усилителе при использовании этого метода нагрузкой следует считать резистор, с которого, снимается выходной сигнал. Для рассматриваемого каскада ОК таким резистором является Усилители с обратной связью - student2.ru . Если при (мысленном) замыкании нагрузки обратная связь исчезает, то это связь по напряжению, а если не исчезает, то это - связь по току.

В эмиттерном (или истоковом) повторителе замыкание Усилители с обратной связью - student2.ru (или Усилители с обратной связью - student2.ru ) приводит к исчезновению Усилители с обратной связью - student2.ru , которое и является напряжением Усилители с обратной связью - student2.ru . Таким образом, при КЗ нагрузки обратная связь исчезает, следовательно, в повторителе имеет место обратная связь по напряжению.

Из раздела 2.2 известно, что каскад ОК имеет Усилители с обратной связью - student2.ru , малые искажения, большое входное и малое выходное сопротивления. Теперь можно сделать общие выводы относительно параметров каскада ОК. Малый Усилители с обратной связью - student2.ru и малые искажения получены за счет 100%-ной ООС, большое сопротивление Усилители с обратной связью - student2.ru - из-за того, что ООС последовательная, а малое Усилители с обратной связью - student2.ru - что ООС по напряжению. То же самое можно повторить и для каскада ОС.

Усилители с обратной связью - student2.ru Теперь рассмотрим усилители с последовательной ООС по току. На рис. 2.25 приведена принципиальная схема каскада ОЭ с последовательной ООС по току, которая создается через резистор Усилители с обратной связью - student2.ru . Нетрудно показать, что рассматриваемая обратная связь является последовательной ООС (на эмиттере присутствует напряжение сигнала обратной связи той же полярности, что и Усилители с обратной связью - student2.ru на базе) . Однако здесь уже будет ООС по току, что можно доказать с помощью метода КЗ нагрузки. Так, при (мысленном) замыкании резистора Усилители с обратной связью - student2.ru , с которого здесь снимается выходной сигнал, обратная связь не исчезает (а даже несколько возрастает), следовательно, это связь по току.

Для коэффициента усиления по напряжению в усилителе рис. 2.25 можно использовать общую формулу (2.4), справедливую для любого усилительного каскада ОЭ. В каскаде с последовательной ООС Усилители с обратной связью - student2.ru , следовательно, пренебрегая Усилители с обратной связью - student2.ru и подставив (2.13) в (2.4), после проведения преобразований можно получить

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.33)

Полезно сравнить выражение (2.33) с общими формулами для усилителя с последовательной ООС (2.27) или (2.30). Формула (2.33) на конкретном примере подтверждает сделанный ранее важный вывод, что глубокая последовательная ООС исключает влияние параметров транзисторов и всего усилителя на коэффициент Усилители с обратной связью - student2.ru , т. е. ООС стабилизирует Усилители с обратной связью - student2.ru . Наиболее важным, пожалуй, является даже не повышение стабильности относительно внешних воздействий, а отсутствие влияния не только параметров транзисторов, но даже самих величин Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru . Из (2.33) следует, что Усилители с обратной связью - student2.ru определяется лишь отношением Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru .

Усилительный каскад на полевом транзисторе с последовательной ООС по току можно представить как каскад ОИ (см. рис. 2.17) при отключенном конденсаторе Усилители с обратной связью - student2.ru . В этом случае сигнал ООС образуется на резисторе Усилители с обратной связью - student2.ru . Нетрудно показать, что Усилители с обратной связью - student2.ru можно рассчитать по следующей формуле:

Усилители с обратной связью - student2.ru , (2.34)

где глубина ООС Усилители с обратной связью - student2.ru . При Усилители с обратной связью - student2.ru выражение (2.34) можно представить как

Усилители с обратной связью - student2.ru . (2.35)

Формула (2.35) почти повторяет (2.33). Разница состоит лишь в кажущемся отсутствии влияния Усилители с обратной связью - student2.ru . Однако, на самом деле, для низкоомной нагрузки в (2.35) следует заменить Усилители с обратной связью - student2.ru на Усилители с обратной связью - student2.ru . Выходные сопротивления каскадов ОЭ и ОИ должны возрастать при использовании ООС по току. Во внутренней структуре усилителя это так и происходит. Однако выход этих каскадов шунтируется резисторами Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru . В результате в них обычно сохраняется постоянное Усилители с обратной связью - student2.ru примерно равное Усилители с обратной связью - student2.ru (или Усилители с обратной связью - student2.ru ).

Теперь вернемся к начальному варианту каскада ОИ (см. рис. 2.17), где присутствует конденсатор Усилители с обратной связью - student2.ru . Этот конденсатор вводится для устранения ООС по переменному току. Действительно, теперь в каскаде ОИ будет иметь место лишь последовательная ООС по постоянному току, стабилизирующая режим покоя. Поскольку теперь на резисторе Усилители с обратной связью - student2.ru не выделяется переменного напряжения Усилители с обратной связью - student2.ru , то в (2.34) следует положить Усилители с обратной связью - student2.ru , что приведет ее к виду (2.19). Таким образом, при устранении ООС по переменному току произошло повышение коэффициента усиления. То же самое можно получить и при переходе от каскада ОЭ (рис. 2.25) к каскаду ОЭ ( рис. 2.9).

При разработке усилителей необходимо помнить, что наряду с положительными свойствами введение общей ООС может принести и весьма существенный недостаток – неустойчивость работы, за счет чего в устройстве может возникнуть самовозбуждение. Если это произойдет, то усилитель перестанет выполнять свою основную функцию – усиливать, т. е. он вообще перестанет быть усилителем, а превратится в генератор .

Эта неудача может произойти из-за того, что на некоторой частоте ООС вследствие влияния реактивных элементов схемы превращается в ПОС, причем эта частота может находиться за пределами полосы пропускания усилителя.

Для получения идеальной ООС в усилителе необходимо, чтобы суммарный угол сдвига Усилители с обратной связью - student2.ru , вносимый самим усилителем и цепью обратной связи, был равен 180°. В реальном многокаскадном усилителе это условие можно выполнить лишь на одной частоте (или нескольких отдельных частотах). На других частотах (особенно на границах и за пределами полосы пропускания АЧХ) Усилители с обратной связью - student2.ru . Это происходит за счет дополнительных фазовых сдвигов, вносимых как самим усилителем, так и цепью обратной связи. Фазовые сдвиги будут тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей обратной связью. Если дополнительный фазовый сдвиг достигает 180°, то Усилители с обратной связью - student2.ru , и ООС превратится в ПОС. При Усилители с обратной связью - student2.ru для ПОС усилитель превращается в генератор. Отметим, что обычно за полосой пропускания АЧХ Усилители с обратной связью - student2.ru мало, поэтому мало и Усилители с обратной связью - student2.ru . Следовательно, возбуждение усилителя на таких частотах маловероятно. Однако чем большее число каскадов в усилителе охвачено общей ООС, тем больше и Усилители с обратной связью - student2.ru , а, следовательно, и вероятность самовозбуждения. Поэтому для обеспечения устойчивой работы усилителя целесообразно охватывать общей ООС возможно меньшее число каскадов, а также применять специальные корректирующие цепи.

Усилители мощности

Усилители мощности предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажения в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение в нагрузке возможно большей мощности.

Поскольку выходной каскад усилителя мощности работает с большими амплитудами сигналов, то при его анализе вследствие нелинейности ВАХ транзисторов пользоваться малосигнальной эквивалентной схемой нецелесообразно. Обычно в усилителях мощности используют графический (или графо-аналитический) метод расчета по входным и выходным характеристикам.

Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность Усилители с обратной связью - student2.ru , коэффициент полезного действия Усилители с обратной связью - student2.ru , коэффициент нелинейных искажений Усилители с обратной связью - student2.ru и полоса пропускания АЧХ. Величины Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru во многом определяются режимом покоя транзистора – классом усиления. Поэтому рассмотрим классы усиления, используемые в усилителях мощности.

Для всех рассмотренных выше усилителей предполагалось, что они работают в режиме класса А. Выбор рабочей точки покоя (см. рис. 2.7,а) в режиме класса Апроизводится таким образом, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора, а значение тока покоя Усилители с обратной связью - student2.ru располагалось посередине этого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора (см. рис. 2.7,б) класс А характерен расположением рабочей точки ( Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru ) на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. Поскольку в режиме класса А работа происходит на почти линейных участках ВАХ, усилитель мощности в этом режиме имеет минимальные нелинейные искажения ( Усилители с обратной связью - student2.ru ).

Введем понятие угол отсечки Усилители с обратной связью - student2.ru - это половина времени на период, в течение которого транзистор открыт, т. е. через него протекает ток. При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии (нет отсечки тока), следовательно, Усилители с обратной связью - student2.ru . Поскольку потребление мощности происходит в любой момент времени, в усилителе мощности, использующем режим класса А, имеет место невысокий Усилители с обратной связью - student2.ru . Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения, а Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru не играют решающей роли.

Мощные варианты выходных каскадов часто используют режим класса В. В классе В Усилители с обратной связью - student2.ru (рис. 2.26), т. е. в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источников питания. Транзистор находится в открытом состоянии лишь в течение половины периода входного сигнала, т. е. Усилители с обратной связью - student2.ru . Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в усилителях мощности, использующих режим класса В, повышенный Усилители с обратной связью - student2.ru .

Для класса В характерна так называемая двухтактная схема, состоящая из двух усилителей, один которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой – отрицательную. В нагрузке эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду. Существенным недостатком режима класca В является высокий уровень нелинейных искажений ( Усилители с обратной связью - student2.ru ).

Класс АВ занимает промежуточное положение между классами А и В. Он также применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя здесь транзистор лишь приоткрыт, в нем протекает небольшой ток Усилители с обратной связью - student2.ru (рис. 2.27), выводящий основную часть рабочей полуволны Усилители с обратной связью - student2.ru на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Угол отсечки в классе АВ достигает 120—130°. Поскольку Усилители с обратной связью - student2.ru мал, то Усилители с обратной связью - student2.ru здесь выше, чем в классе А, ближе к классу В. Нелинейные искажения усилителя, использующего класс АВ, относительно невелики ( Усилители с обратной связью - student2.ru ):

Для класса С в усилителе имеет место начальное смещение, соответствующее режиму отсечки транзистора, т. е. в режиме покоя транзистор заперт напряжением смещения на базе. В результате Усилители с обратной связью - student2.ru . Класс С находит применение либо в очень мощных усилителях, где основным фактором является предельно высокий Усилители с обратной связью - student2.ru , а нелинейные искажения несущественны, либо в генераторах или резонансных усилителях , где высшие гармоники в выходном сигнале устраняются с помощью резонансного контура.

Усилители с обратной связью - student2.ru

В мощных транзисторных преобразователях постоянного напряжения находят применение автогенераторные устройства, в которых транзисторы работают в режиме класса D. Этот класс определяет ключевой режим работы транзистора: открыт или закрыт (насыщен – заперт). Работа в режиме класса D осуществляется на прямоугольных импульсах и характеризуется минимальными потерями мощности.

В современной микроэлектронике широко используются двухтактные усилители мощности без применения трансформаторов. Такие усилители имеют небольшие габариты и массу, повышенную надежность и просто реализуются в виде ИМС.

Усилители с обратной связью - student2.ru В микроэлектронике широко используются двухтактные бестрансформаторные усилители мощности, выполненные на комплементарных транзисторах (n-р-n и р-n-р-типа). Такие усилители мощности принято называть бустерами. Различают бустеры тока и напряжения. Если бустер тока предназначен для усиления тока, то бустер напряжения усиливает не только ток, но и напряжение. Поскольку усиление напряжения обычно, осуществляется предыдущими каскадами многоканального усилителя, наибольшее распространение получили выходные каскады в виде бустера тока.

На рис. 2.36 приведена принципиальная схема простейшего варианта бустера тока класса В. Здесь использованы n-р-n-транзистор Усилители с обратной связью - student2.ru и p-n-р-транзистор Усилители с обратной связью - student2.ru , базы которых подключены непосредственно ко входу усилителя. Особо обратим внимание на использование двухполярного питания (двух напряжений питания Усилители с обратной связью - student2.ru и - Е).

При подаче на вход бустера положительной полуволны Усилители с обратной связью - student2.ru открывается транзистор Усилители с обратной связью - student2.ru и через нагрузку потечет ток в направлении, указанном стрелкой. При подаче отрицательной полуволны Усилители с обратной связью - student2.ru открывается транзистор Усилители с обратной связью - student2.ru , и ток через нагрузку изменяет свое направление на противоположное. Таким образом, на сопротивлении Усилители с обратной связью - student2.ru будет формироваться переменный выходной сигнал.

Оба транзистора в рассматриваемом бустере включены по схеме ОК. Подчеркнем, что каскад ОК очень хорошо подходит для его использования в усилителе мощности, поскольку имеет малые коэффициенты нелинейных искажений и Усилители с обратной связью - student2.ru . Кроме того, каскад ОК характерен большим Усилители с обратной связью - student2.ru , что позволяет хорошо согласовывать его с предыдущим каскадом усилителя напряжения. Напомним, что эти преимущества, а также малые частотные искажения имеют место в каскаде ОК за счет 100%-ной последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице.

На рис. 2.36 показано, что Усилители с обратной связью - student2.ru не отделено от самого усилителя никаким разделительным элементом, т. е. имеет место гальваническая связь каскада с нагрузкой. Это чрезвычайно важное обстоятельство становится возможным благодаря использованию двух источников питания (или одного с общей средней точкой). При этом потенциал на эмиттерах транзисторов в режиме покоя равен нулю, а в нагрузке будет отсутствовать постоянная составляющая тока. В выходной цепи обычного каскада ОК (см. рис. 2.14) конденсатор должен иметь большой номинал для получения приемлемых значений Усилители с обратной связью - student2.ru , однако реализовать такой конденсатор в ИМС чрезвычайно сложно. Таким образом, использование двухполярного питания, что широко распространено в ИМС, позволяет получать мощные надежные усилители переменного и постоянного токов. При использовании дискретных транзисторов следует выбирать комплементарные пары с близкими значениями своих параметров. Такие пары транзисторов выпускаются отечественной промышленностью: КТ502 и КТ503, КТ814 и КТ815, КТ818 и КТ819 и др.

Необходимо отметить, что существенным недостатком бустера (рис. 2.36) является большой Усилители с обратной связью - student2.ru (более 10%), что и ограничивает его использование на практике. Свободным от этого недостатка является бустер класса АВ, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.37. Токи покоя транзисторов здесь задаются с помощью резисторов Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru , а также диодов Усилители с обратной связью - student2.ru и Усилители с обратной связью - student2.ru . При интегральном исполнении в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении. Напомним, что падение напряжения на прямосмещенном кремниевом диоде составляет примерно 0,7 В, а в кремниевых ИМС с помощью диодов осуществляется термокомпенсация рабочего режима.

Усилители с обратной связью - student2.ru В режиме покоя входная цепь рассматриваемого бустера потребляет малую мощность (менее 5% Усилители с обратной связью - student2.ru ). Сопротивление Усилители с обратной связью - student2.ru вводится для лучшего согласования с предыдущим каскадом усилителя. Обычно Усилители с обратной связью - student2.ru . Токовый бустер (рис. 2.37) позволяет обеспечить в нагрузке ток Усилители с обратной связью - student2.ru при мощности Усилители с обратной связью - student2.ru Вт.

При необходимости получения большей мощности Усилители с обратной связью - student2.ru можно использовать более сложные схемы бустера, в которых применяются как комплементарные, так и мощные выходные однотипные транзисторы. Для снижения нелинейных искажений рекомендуется бустер и предыдущий усилительный каскад охватывать общей глубокой ООС.

Наши рекомендации