Обратные связи в усилительных каскадах

RC-усилитель

По виду связи между каскада­ми (при многокаскадном выполнении усилителей) различают усили­тели с емкостной, трансформаторной и гальванической связью (уси­лители постоянного тока).

Рис. 92. Транзисторная (а) схема усилителя с RC-связью

Усилители с емкостной связью. Усилители с емкостной или RC-связью имеют широкое применение.. Они просты в конструкции и наладке, дешевы, обладают стабильными характеристиками, на­дежны в работе, имеют небольшие размеры и массу. Типовые схе­мы усилителя на транзисторах с емкостной связью пока­заны на рис. 92, а.

Режим транзистора в схеме задается напряжением источника Е_к и смещением с делителя R1R2; резистор R_Э1 совместно с дели­телем смещения R1R2 осуществляют температурную стабилизацию режима; конденсатор С_Э1 исключает отрицательную обратную связь по переменной составляющей тока. Напряжение сигнала Uвх, подлежащее усилению, подводится к цепи базы V1 через конден­сатор С_р1 разделяющий по постоянному току источник сигнала и цепь базы первого каскада усилителя. Между коллектором первого V1 и базой второго V2 транзисторов включен разделительный кон­денсатор С_р2, который не пропускает относительно высокий потен­циал с коллектора V1на базу V2.

Коэффициент усиления каскада зависит от параметров усили­тельного элемента (транзистора, лампы), выходного сопротивления исследуемого каскада, входного сопротивления следующего каскада, а также от частоты, поскольку от нее зависят проводимость и коэффициент передачи транзистора.

Рис. 93. Частотная харак­теристика резисторного кас­када

Частотная характеристика резисторного каскада с емкостной связью (рис. 93) может быть разделена на три области частот: нижних НЧ, средних СЧ и верхних ВЧ. В области нижних частот коэффициент усиления K_Н снижается (с уменьшением частоты) в ос­новном из-за увеличения сопротивления конденсатора межкас­кадной связи С_р1. Емкость этого конденсатора выбирают достаточ­но большой, что снизит падение напряжения на нем. Обычно низ­кочастотный диапазон ограничивается частотой f_H, на которой ко­эффициент усиления снижается до 0,7 среднечастотного значения, т. е. K_Н=0,7K₀. В области средних частот, составляющих основную часть рабочего диапазона усилителя, коэффициент усиления K₀ практически не зависит от частоты. В области верхних частот f_B снижение усиления K_В обусловлено емкостью С₀=Свых+См+Свх (где С_вых — емкость усилительного элемента каскада; С_м — емкость монтажа, С_вх — емкость усилительного элемента следующего кас­када). Эту емкость всегда стремятся свести к минимуму, чтобы ограничить через нее ток сигнала и обеспечить большой коэффициент усиления.

Работу усилителя покажу на примере однокаскадного, рис.2.7:

Рисунок 2.7 – Усилительный каскад с емкостной связью

Работа усилителя заключается в том, что входной сигнал генератора (Е_г) вызывает изменение потенциала базы относительно U_б покоя (U_б0) по закону входного сигнала, что вызывает изменения тока коллектора по такому же закону, т.е. I_к = f(U_вх). Ток коллектора имеет две составляющие: постоянную i_{к =} и переменную i_{к ~} т.е. I_к = I_{к =} + i_{к ~}. Ток коллектора протекает по R_к создает на нем падение напряжения ΔU_Rк = I_к R_к, а напряжение на коллекторе будет (в соответствии с уравнением нагрузочной характеристикой, изменяться по следующей «зависимости»:

Переменная составляющая тока коллектора i_к через разделительный конденсатор (С_р) поступает на вход следующего каскада и протекает через его входное сопротивление R_вх создает на нем падение напряжения, что является источником сигнала (Е_г) для второго каскада. Усилительный каскад с ОЭ является инвертирующим каскадом.

Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при проектировании усилителей переменного тока с RC–связями, является проблема правильного выбора элементов межкаскадной связи. Именно эти элементы в большей степени определяют полосу пропускания усилителя. Поэтому основным критерием выбора элементов межкаскадной связи является уровень вносимых частотных искажений. Задача расчета – обеспечить уровень вносимых искажений не больше заданного, т.е. обеспечить требуемую полосу пропускания усилителя.

Обратные связи в усилительных каскадах

Обратная связь – это процесс, при котором часть мощности с выхода предается на вход. Обратные связи бывают трех видов и возникают по следующим причинам:

1) Внутренняя обратная связь из-за физических свойств усилительного элемента (например, за счет модуляции толщины базы);

2) Внешняя обратная связь (полезная ОС) из-за введения в схему специальных цепей;

3) Паразитная ОС вследствие паразитных емкостных, индуктивных и др. связей.

Кроме того, обратные связи бывают положительными (ПОС) (когда передаваемая мощность с выхода совпадает по фазе с входным сигналом), отрицательными (ООС) (если они в противофазе), и комплексной (когда сдвиг фазы отличается от 0° и от 180°).

Если в усилителе имеется только одна петля обратной связи, связь называют однопетлевой или одноканальной (рис. 2.9, а), если петель несколько, ее называют многопетлевой или многоканальной (рис. 2.9, б и в). Связь, охватывающую один каскад усилителя называют местной обратной связью (рис.2.9, в).

Рисунок 2.9 – Виды обратной связи: а – однопетлевая,

б – двухпетлевая с независимыми петлями, в – многопетлевая с одной петлей

Если цепь ОС присоединить к выходу схемы параллельно нагрузке, то напряжение ОС будет пропорционально напряжению на нагрузке – это ОС по напряжению (рис. 2.10, а). Если цепь ОС присоединить к выходу устройства последовательно с нагрузкой, напряжение ОС будет пропорционально току в нагрузке – это ОС по току (рис. 2.10, б). Если в схеме осуществлена комбинация обоих способов (рис. 2.10, в) – это комбинированная ОС.

Рисунок 2.10 – Способы снятия обратной связи:

а – по напряжению, б – по току, в – смешанная по выходу ОС

Ко входу устройства цепь обратной связи также можно подключить тремя способами: последовательно с источником сигнала – послед.ОС (рис. 2.11, а), параллельно ему – парал.ОС (рис. 2.11, б) и смешанным способом – смешанная ОС(рис. 2.11, в).

Рисунок 2.11 – Способы введения обратной связи:

а – последовательная, б – параллельная, в – смешанная по входу ОС

Если цепь обратной связи не содержит реактивных сопротивлений (индуктивностей, емкостей), а поэтому отношение напряжения ОС к напряжению на входе от частоты не зависит, ОС называют частотно-независимой; если ОС содержит реактивные элементы - называют частотно-зависимой.

ПОС используется обычно в автогенераторах. А в усилите­лях обычно используется ООС, улучшающая их качественные пока­затели.

Влияние ОС на основные параметры усилителя:

1. Коэффициент усиленияусилителя с ОС определяем на примере схемы усилителя с последовательной обратной связью по напряжению. Усиление усилителя не за­висит от «К», т.е. от параметров схемы усилителя и числа его каска­дов, а определяется лишь коэффициентом передачи «β» цепи ОС.

2. Входное сопротивлениеусилителя с ОС зависит от способа по­дачи напряжения обратной связи, вида обратной связи и ее глуби­ны. Последовательная ООС по напряжению и току увеличивает входное сопротивление, а параллельная (по напряжению и току) — уменьшает.

3. Выходное сопротивлениеусилителя с ОС зависит от способа по­лучения напряжения ОС, от ее вида и глубины. Последовательная и параллельная ООС по напряжению уменьшает, а последовательная и параллельная ООС по току уве­личивает выходное сопротивление усилителя. Последовательную ОС целесо­образно применять в усилителях напряжения. Параллельную ОС рекомендуется применять в усилителях тока. В усили­телях с токовым выходом ОС по напряжению нецелесообразна, по­скольку она уменьшает выходное сопротивление.

4. Частотн. хар-ки. Отрицательная обратная связь в (1+β*K) раз снижает сигнал гармоник, возникающий из-за нелинейных искажений. Аналогичное влияние она оказывает на напряжение помех (фон, наводка). При отсутствии фазовых искажений и относительно небольших нелиней­ных искажениях коэффициент нелинейных искаже­ний усилителя с ООС уменьшается в (1+β*K) раз. При высоком уровне нелинейных искажений ООС не способствует их уменьшению, а кроме того, может перейти в ПОС за счет дополнительных фазовых сдвигов высших гармоник и тогда нелинейные иска­жения возрастут. Для снижения нелинейных искажений ООС обычно вводят в выходные каскады с наибольшими диапазонами выход­ных напряжений.

Рис. 77. Частотные характери­стики усилителя без ООС (а) и с ООС (б)

ООС уменьшает частотные и фазовые иска­жения примерно в (1+β₀K₀) раз, поэтому частотная, характеристика выравнивается (рис. 77), что способствует расширению полосы пропускания усилителя Δf1<Δf2. При ООС по на­пряжению уменьшение частотных искажений (расширение полосы пропускания) достигается за счет снижения К₀ на средних частотах. Если цепь ОС выполнить с реактивными элементами, можно получить частотно-зависимую об­ратную связь, при которой возможна коррекция частотной характе­ристики усилителя.