Технические показатели усилителей. Обратная связь и ее влияние на параметры усилителя. Схемы каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Методы высокочастотной коррекции. Каскады с эмиттерной и стоковой нагрузками. Непосредственные связи в усилителях.
Аннотация к работе
СИБГУТИ Основы схемотехники.
План
Содержание.
1. Введение………………………………………………………………………...4 2. Основные понятия и определения…………………………………………….4 2.1. Классификация усилителей в МСП. Основные свойства и особенности усилителей………………………………………………………………………...3 2.2. Принцип усиления электрического сигнала………………………………..7 3. Основные технические показатели усилителей……………………………...9 3.1. Коэффициент усиления усилителя ………………………………………....3 3.2. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Помехи в усилителях……………………………………………………………11 3.3. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики………………12 3.4. Нелинейные искажения…………………………………………………….14 3.5. Временные характеристики усилителя……………………………………17 4. Обратная связь и ее влияние на параметры усилителя…………………….19 4.1. Основные понятия и виды обратной связи в усилителях………………..19 4.2. Влияние обратной связи на коэффициент усиления по напряжению…...21 4.3. Влияние отрицательной обратной связи на нестабильность усиления….24 4.4. Влияние ООС на нелинейные искажения и помехи……………………...25 4.5. Влияние ООС на выходное и входное сопротивления усилителя………25 4.6. Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику усилителя….27 4.7. Устойчивость усилителей с обратной связью……………………………28 5. Основные схемы каскадов на биполярных и полевых транзисторах…….30 5.1. Общие сведения……………………………………………………………30 5.2. Схема с эмиттерной стабилизацией……………………………………….31 5.3. Схема с фиксированным током базы (ФТБ)………………………………33 5.4. Схема с фиксированным напряжением……………………………………34 5.5. Схема с коллекторной стабилизацией…………………………………….35 5.6. Особенности цепей питания и смещения в каскадах на полевых транзисторах…………………………………………………………………….36
- 2 -
5.7. Коэффициенты усиления и частотные искажения в резистивно- емкостных каскадах……………………………………………………………..37 5.7.1 Свойства, эквивалентная схема RC - каскадов………………………….37 5.7.2. Частотные искажения в области низких частот…………………….......39 5.7.3. Влияние разделительной емкости на искажения импульсных сигналов 5.7.4. Частотные искажения в области высоких частот……………………….42 5.7.5. Влияние емкости СО на искажения импульсных сигналов………….....43 5.7.6. Область средних частот. Коэффициент усиления резистивно-емкостного каскада…………………………………………………………........45 6. Выходные каскады усилителя (ВКУ)………………………………………..46 6.1. Основные особенности и качественные показатели ВКУ………………..48 6.2. Режимы работы усилительного элемента в выходных каскадах усиления………………………………………………………………………….49 6.3. Однотактная трансформаторная схема на биполярном транзисторе……50 6.4. Построение выходных динамических характеристик……………………53 6.4.1. Динамическая (нагрузочная) характеристика по постоянному току….53 6.4.2. Динамическая характеристика по переменному току………………….55 7. Основные методы высокочастотной коррекции……………………………57 7.1. Коррекция при помощи небольших индуктивностей……………………57 7.2. Коррекция частотно-зависимой ООС в цепи общего электрода………...69 8. Каскады с эмиттерной и стоковой нагрузками……………………………..60 9. Непосредственные связи в усилителях……………………………………...61 10. Основные особенности и принципы построения усилителей в интегральном исполнении……………………………………………………....63 10.1. Общие сведения об усилителях ИМС……………………………………63 10.2. Схемные особенности операционных усилителей………………………63 10.3. Балансные (дифференциальные) каскады усиления с параллельным питанием………………………………………………………………………….64 11. Общие сведения и основные показатели аналоговых перемножителей…65 12. Некоторые применения перемножителей………………………………….67
- 3 -
Введение
Курс «Основы схемотехники» является основным из базовых курсов для инженера МТС. Он посвящен изучению, в основном, усилительных устройств, используемых в современных многоканальных системах передачи. Ограниченность учебного времени не позволяет в полной мере рассмотреть другие устройства (RC - генераторы, активные фильтры, схемотехнику АЦП и др.); в той или иной мере эти вопросы рассматриваются в других курсах.
2. Основные понятия и определения.
Многоканальные системы передачи (МСП) предназначены для одновременной и независимой передачи большого числа сигналов по одной физической цепи используются: ? Воздушная линия;
? Симметрический кабель; ? Коаксиальный кабель;
? Оптический кабель;
? Радиорелейная линия;
Чем больше сигналов (каналов) имеется в системе передачи, тем более она эффективна.
Различают передачу телевизионных сигналов, сигналов телефонии, передачу данных и др. Для передачи получателю сообщение преобразуется в сигнал: электрический, оптический, акустический. Сигнал должен однозначно отображать сообщение, чтобы на приемной стороне можно было выделить его. Из множества сигналов наиболее подходящими для связи оказались электрические и оптические. В нашем курсе мы будем рассматривать электрические сигналы и вопросы схемотехники для них.
- 4 -
Структурную схему МСП модно предоставить рис. 2.1 (сообщение от источника к получателю передается в одном направлении):
Рис. 2.1 Структурная схема многоканальной системы передачи
N где n(t) - помеха. В общем случае принятый сигнал отличается от переданного ввиду искажений и помех, имеющих место в линии связи. Линия связи может быть проводной или равнолинией. При распространении электрический сигнал испытывает затухание (ослабляется) и искажается его форма. Для компенсации затухания через определенное число километров включают усилительные станции (УС). Число таких станций при известной длине линии L и участке номинальной длинны LHOM равно: NYC ? L ?1 НОМ l
Для электрических МСП - LHOM = 2 ? 20 км; для ВОСП - LHOM = 50 ?100 км.
В цифровых системах передачи (ЦСП) применяют регенераторы: они позволяют компенсировать затухание и восстанавливать форму переданного сигнала.
- 5 -
На структурных схемах усилительное устройство (или просто - усилитель) обозначается в виде четырехполюсника:
Рис. 2.2 Усилитель как четырехполюсник.
Как видно он имеет две пары входных клемм.
2.1. Классификация усилителей в МСП. Основные свойства и особенности усилителей.
Усилители в МСП включаются последовательно (рис. 2.1) и поэтому неудовлетворительная работа хотя бы одного из них, приводит к отказу всей системы передачи (СП). Важнейшим требованием являются: ? Высокая надежность;
? Стабильность характеристик каждого из них.
В зависимости от назначения усилители делятся:
Усилители МСП
Электронные усилители
Электронно-оптические усилители
Оптические усилители
Групповые усилители
Индивидуальные усилители
Вспомогательные усилители
ППЛУ
Эрбиевые усилители
НВОУ
Рис. 2.3 Классификация усилителей МСП
Для электрических сигналов наиболее важным являются групповые усилители. Они усиливают одновременно преобразованные сигналы большого числа каналов, т.е. группы каналов. Они включаются в промежуточных усилительных пунктах, а также в качестве оконечных усилителей на оконечных станциях. Ширина полосы частот усилителя зависит от числа каналов данной СП.
- 6 -
Индивидуальные усилители предназначены для усиления сигналов со сравнительно узкой полосой частот, передаваемых в одном телефонном канале.
Вспомогательные усилители используются для усиления токов контрольных, вызывных или несущих частот. Они являются усилителями одночастотных сигналов и выполняются как резонансные.
Оптические усилители используются в ВОСП. Характерной особенностью оптических усилителей является наличие активной среды и источника энергии накачки.
В полупроводниковых лазерных усилителях (ППЛУ) активной средой служит полупроводник, а в Эрбиевых и нелинейных волоконнооптических усилителях (НВОУ) - оптическое волокно. В качестве источника накачки используется лазер. В оптических усилителях при усилении форма сигнала не изменяется. Более подробные сведения об этих типах усилителях можно найти в специальной литературе.
2.2. Принцип усиления электрического сигнала.
Рассмотрим схему усилителя электрических сигналов. В общем виде схема имеет вид, представленный на рис. 2.4.
Источник сигнала
1 2
UBX UВЫХ Нагрузка 1 2
Р0 ЕП
Источник питания
Рис. 2.4. Структурная схема усилителя
Усилитель имеет два входных зажима 1-1, к которым подключается источник усиливаемых колебаний с определенным значением ЭДС и внутренним сопротивлением. К выходным зажимам 2-2 подключается нагрузка с сопротивлением RH. Для питания цепей усилительного элемента (УЭ) используется источник питания с ЭДС ЕП. усилитель потребляет мощность Р0.
Процесс усиления заключается в пропорциональном изменение выходного напряжения или тока путем изменения управляемого состояния УЭ под действием входного тока или напряжения.
На рис. 2.5. представлены диаграммы изменения выходного тока и напряжения при усилении гармонического сигнала.
- 7 -
Рис. 2.5 Изменение выходного тока при усилении гармонического сигнала. Р.Т. - рабочая точка i0 - постоянный ток, определяемый положением РТ.
Усиление зависит от крутизны УЭ: DIВЫХ DUBX
S ?
Амплитудное значение выходного тока УЭ равно: Im.ВЫХ ? S ?Um.ВХ
При усилении непрерывных сигналов требование к пропорциональности (линейности) изменения выходного тока ІВЫХ (или напряжения UВЫХ) является чрезвычайно важным, т.к. определяет точность воспроизведения усиливаемых сигналов. Если ток ІВЫХ будет изменяться непропорционально входному воздействию (UBX или ІВХ), то при синусоидальном входном сигнале форма выходного тока ІВЫХ (или напряжения UВЫХ) будет отличаться от синусоидальной, т.е. возникнут искажения усиливаемого сигнала. Такие искажения называются нелинейными.
Обычно усилитель содержит предварительные каскады усиления (ПКУ) и выходной каскад усиления (ВКУ). Вместо нескольких каскадов предварительного усиления, использована одна интегральная микросхема (ИМС).
- 8 -
3. Основные технические показатели усилителей
3.1. Коэффициент усиления усилителя.
Всякий усилитель имеет две пары входных клемм и его можно представить в виде четырехполюсника связи рис. 2.2 и рис. 2.6:
Рис. 2.6. Усилитель как четырехполюсник связи
Отношение выходного напряжения UВЫХ к входному напряжению принято называть коэффициентом усиления по напряжению:
j?н.вых
U U ?e
K ? ВЫХ ? m.ВЫХ j? н.вх ? K ?ej? н ВХ m.ВХ
U U ?e где: K ? Um.ВЫХ ? UВЫХ ; ?н = ?н.вых - ?н.вх — учитывает изменение фазы m.ВХ ВХ
U U сигнала при усилении.
Аналогично, коэффициент усиления по току КТ равен: KT ? KT ?ej?т ; KT ? Im.ВЫХ ? ІВЫХ m.ВХ ВХ
I I ?т = ?т.вых - ?т.вх — учитывает изменение фазы тока при усилении.
Выходной ток ІВЫХ, как видно из рис. 2.6, равен: UВЫХ ВЫХ
I ?
Z
Н
Влияние выходного сопротивления усилителя учитывается с помощью коэффициента усиления по ЭДС (сквозной коэффициент усиления)
- 9 -
K*? UВЫХ ? K ?ej? не ИСТ e
? ? e
?
I
U
?
Сквозной коэффициент усиления можно определить и по другому:
K*? UВЫХ
ИСТ e
UВЫХ UBX UBX ЕИСТ
? К ?КВХ ;
где КВХ ? UBX ИСТ
RBX RBX ? RИСТ
- коэффициент передачи входной цепи.
Приведенные коэффициенты усиления по напряжению и току являются безразмерными величинами. Иногда используются величины:
ZT ? UВЫХ ВХ и D ? ІВЫХ ВХ
Называется сопротивление передачи (ZT) и крутизны (D) усилителя и имеющие размерность [Ом] и [См].
Усиление усилителя по мощности КМ равно:
KM ? ВЫХ ВХ
P
P
UВЫХ ?ІВЫХ UBX ?IBX
? K ?KT ;
В технике связи коэффициенты усиления обычно выражают в логарифмических единицах (децибелах) обозначая их соответственно:
S ? 20?lg K; ST ? 20?lg KT ;
SM ?10?lg KM ;
K ?100,05S ; KT ?100,05St;
KM ?100,05Sm;
- 10 -
3.2. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Помехи в усилителях.
Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость UВЫХ = f (UBX). Она имеет вид, показанный на рис. 2.7:
Рис. 2.7. Амплитудная характеристика усилителя
Как видно из рис. 2.7амплитудная характеристика имеет три участка: два нелинейных (I и III) и линейный участок (II). Первый участок обусловлен влиянием собственных помех усилителя, а третий - нелинейностью характеристик усилительных элементов. Рабочим участком является второй. Он позволяет определить минимальное UBX. min и максимальное значение входного сигнала. Отношение входных напряжений UBX max определяет
U
ВХ min динамический диапазон усилителя: DYC ? 20 ?lg UBX max ; ВХ.min
U
По амплитудной характеристике можно найти напряжение собственных помех UПОМ.ВЫХ усилителя при UBX = 0. Это напряжение представляет сумму напряжений собственных шумов усилительных элементов усилителя, напряжение тепловых шумов резисторов, наводок, пульсаций источника питания (питание от сети). Собственные помехи усилителя характеризуют часто коэффициентом шума:
Fn ?10 ?lg ПОМ.ВЫХ [ДБМ] ПОМ.ВЫХ.ИД
P
P
- 11 - где РПОМ.ВЫХ.ИД. - мощность собственных помех на выходе усилителя, элементы которого обладают помехами теплового происхождения.
Угол наклона характеристики ? характеризует усилительные свойства усилителя. При большом коэффициенте усиления амплитудная характеристика идет круче (угол ? больше).
3.3. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики.
Коэффициент усиления и фаза любого усилителя зависят от частоты. Зависимость коэффициента усиления K(f) называется амплитудно-частотной характеристикой, а аргумента ?(f) фазо-частотной характеристикой. Их часто обозначают сокращенно: АЧХ и ФЧХ соответственно.
Форма сигнала после его усиления может быть сохранена в том случае, если усилитель является идеальным (т.е. не вносит искажений). Искажения будут отсутствовать, если в диапазоне частот, соответствующем спектру этого сигнала (от FH до FB) АЧХ и ФЧХ будут иметь вид показанный на рис.2.8 и 2.9 соответственно.
В реальных усилителях эти условия обычно не выполняются. Отличие реальных характеристик от идеальных определяют амплитудно-частотные фазо-частотные искажения усилителя.
- 12 -
Рис. 2.10. Зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты
Количественно амплитудно-частотные искажения на любой частоте fi определяются коэффициентом амплитудно-частотных искажений Mi (индекс i показывает частоту fi): Mi ? K( fi ) ;
CP
K
Здесь КФ = К0 - коэффициент усиления в области средних частот. Часто коэффициент амплитудно-частотных искажений определяют в логарифмических единицах: ?Si ? 20?LGMI ? 20?lg K( fi ) ? SCP ?Si ; [ДБ]
K
CP
Mi = 100,05·?Si
В технике МСП часто используют усилители, частотные характеристики усиления которых имеют заданную форму, отличную от идеальной. В данном случае задаются допустимым отклонением коэффициента усиления реального усилителя от номинального значения на различных частотах рабочего диапазона. На рис. 2.11 показана заданная частотная характеристика (пунктирная линия) и характеристика реального усилителя (сплошная линия).
Во многих случаях допустимые фазо-частотными искажениями усилителя вообще не задаются, поскольку они не имеют значения. Чаще используют характеристику неравномерности группового времени распространения ?ТГР(f): ?ТГР. i = ТГР. i - ТГР. МИН.
Где ТГР. i - абсолютное время задержки сигнала усилителем на данной частоте; ТГР. МИН. - абсолютное время задержки, определенное на той частоте рабочего диапазона, усилителя, где оно минимально.
Величина ТГР(f) связана с ФЧХ уравнением: ТГР( f ) ? 2?? ? d?( f )
1 df
Т.о. ТГР(f) соответствует крутизне ФЧХ усилителя на данной частоте.
3.4. Нелинейные искажения.
Элементы схемы усилителя в определенной степени зависят от воздействующего на них напряжения (тока) и, следовательно, обладают некоторой нелинейностью. Наиболее значительной нелинейностью обладают усилительные элементы, индуктивности и ферромагнитными сердечниками, трансформаторы. Нелинейность элементов схемы приводит к тому, что
- 14 - зависимость выходного напряжения усилителя от входного также становится нелинейной, рис. 2.12: U
Рис. 2.12. Влияние нелинейности характеристик усилительного элемента на форму выходного сигнала.
В результате на выходе усилителя появляются спектральные составляющие, которые отсутствовали в исходном сигнале.
В многоканальной системе передачи нелинейность характеристик не только искажает передаваемую информацию, но вызывает дополнительные помехи, т.к. сигналы одних каналов могут образовывать спектральные составляющие, попадающие в полосу частот сигналов других каналов. Количественная оценка нелинейных искажений в усилителе производится с помощью коэффициента нелинейных искажений КГ, равно: 2 2 2
КГ ?
U2Г ?U3Г ?....?UNГ
U1Г
;
где U1Г, U2Г, … , UNГ - амплитуды напряжений 1, 2, … , n-й гармоник, возникающих на выходе усилителя при подаче на его вход синусоидального напряжения.
В технике МСП часто оценивают степень нелинейности по 2-ой и 3-ей гармоникам:
K2Г ? U2Г ; 1Г
K3Г ? U3Г ; 1Г
U
- 15 - или в логарифмических единицах - затуханием нелинейности (в децибелах) по соответствующим гармоникам: 2
U
3
U
A Г ? 20?lg U1Г 2Г
? 20?lg 1 ; [ДБ]
2Г
K
A Г ? 20?lg U1Г 3Г
? 20?lg 1 ; [ДБ]
3Г
K
Установлено, что при возрастании уровня сигнала на выходе усилителя на ?p: ?p ?10?lg Р"ВЫХ ? p"2 ?p2; [ДБ] ВЫХ
P затухание по i-ой гармонике уменьшается на величину (i - 1)·?p, ДБ: A"i2 ? A2 ?(i?1)??p; [ДБ] i
На рис. 2.13 приведены зависимости затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам от выходного уровня сигнала.
Рис. 2.13 Зависимость затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам от выходного уровня сигнала
Отметим, что затухание A’i2 справедливо лишь при малой нелинейности усилителя, т.е. до определенного значения РВЫХ. МАКС. Нужно иметь ввиду, что основная доля нелинейных искажений возникает за счет выходного каскада усилителя, поэтому нелинейными искажениями за счет предварительных каскадов, обычно приобретают. Заметим, что величины А2Г0 и А3Г0 соответствуют выходной мощности РВЫХ = 1 МВТ.
- 16 -
При передачи импульсных сигналов в усилителях возникают искажения, обусловленные нестационарными (переходными) процессами изза наличия в нем реактивных элементов (емкостей и индуктивностей). Для оценки этих искажений пользуются временными характеристиками: переходной и импульсной.
Переходной характеристикой h(t) усилителя называется зависимость мгновенного значения напряжения на его выходе от времени UВЫХ(t) при подаче на вход напряжения в виде единичной функции 1(t). Различают переходную характеристику для малых и больших времен. На рис. 2.14 приведена h(t) для малых времен.
Рис. 2.14. Зависимость выходного напряжения усилителя при подаче на вход единичной функции 1(t) в области малых времен
Характеристика для малых времен определяет вид искажений фронтов импульсного сигнала. Реальная переходная характеристика для малых времен чаще всего изменяется по закону экспоненты, рис. 2.14 а). Реже переходный процесс сопровождается колебательным процессом, рис.2.14 б). Меру искажения импульсного сигнала определяют по времени установления ТУСТ. Время в течение которого напряжение на выходе изменяется от 0,1 до 0,9 от установившегося значения: ТУСТ = t2 - t1;
При колебательном процессе ТУСТ меньше, но при этом появляются дополнительные искажения в виде выброса ?UВЫХ:
- 17 -
?% ? ?UВЫХ ?100%. УСТ
U trialим, что искажение фронтов заметны при усиление импульсов малой длительности.
При усилении импульсов большой длительности важно знать - насколько долго усилитель может сохранять постоянное напряжение на выходе, после подачи на вход усилителя единичной функции 1(t), рис 2.15.
Рис. 2.15. Зависимость выходного напряжения усилителя при подаче на вход единичной функции 1(t) в области больших времен.
Реальная h(t) для больших времен чаще всего спадает плавно. Искажения оцениваются величиной спада: ?% ? ?UВЫХ ?100% УСТ
U
Искажения импульсных и гармонических сигналов взаимосвязаны. Те и другие обусловлены реактивными элементами схем и инерционностью работы усилительных элементов. Поэтому эти искажения называются линейными.
- 18 -
4. Обратная связь и ее влияние на параметры усилителя.
4.1. Основные понятия и виды обратной связи в усилителях.
Обратной связью называют связь между электрическими цепями, при которой часть энергии выходного сигнала передается на вход, т.е. из цепи с более высоком уровнем сигнала в цепи с более низким его уровнем. Обратная связь значительно влияет на свойства и характеристики усилителя, поэтому ее часто вводят в усилитель (схему устройства) для изменения его свойств в нужном направление. Такая обратная связь называется внешней. Обратная связь может возникнуть и самопроизвольно, например, изза физических особенностей усилительного элемента. Такая обратная связь называется внутренней обратной связью. Обратная связь возникающая изза паразитных связей (емкостных, индуктивных и др.) называется паразитной.
Цепь обратной связи вместе с частью схемы усилителя, к которой она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлей обратной связи, рис. 4.1.
ВХОД К ВЫХОД
?
Рис. 4.1. Обратная связь в усилителе
К - коэффициент усиления усилителя
? - коэффициент передачи цепи обратной связи.
При проектировании и конструировании радиоэлектронных схем принимают меры для ослабления или ликвидации внутренних и паразитных обратных связей. Если в усилителе имеется одна петля обратной связи, то связь называют однопетлевой, если петель обратной связи несколько, связь называют многопетлевой, рис. 4.2а и 4.2б.
К1 К2 К1 К2
? ?1 ?2
а) б)
Рис. 4.2. - Виды обратной связи а) Однопетлевая б) Двухпетлевая с независимыми петлями.
- 19 -
Отметим, если в петле обратной связи, охватывающей весь усилитель, имеются петли обратной связи, охватывающие отдельные каскады или части усилителя, их называют местными петлями обратной связи.
Существуют различные способы снятия энергии с выхода схемы и подачи ее на вход схемы рис. 4.3 и 4.4. Если энергию сигнала снимают с выхода схемы параллельно нагрузке, рис. 4.3а, связь называется обратной связью по напряжению (или параллельной по выходу), т.к. при этом напряжение обратной связи прямо пропорционально выходному напряжению усилителя UВЫХ.
Рис. 4.3. - Способы снятия сигнала обратной связи: а) обратной связи по напряжению (параллельная обратная связь); б) обратной связи по току (последовательная обратная связь); в) смешанная (комбинированная) обратная связь.
Если же сигнал обратной связи снимают с выхода последовательно с нагрузкой, рис.4.3б, связь называют обратной связью по току (или последовательной по выходу). В этом случае напряжение обратной связи прямо пропорционально току ІВЫХ. В групповых усилителях многоканальных телекоммуникационных систем используется комбинация отмеченных выше способов, рис. 4.3а и 4.3б. Эта схема носит название комбинированной обратной связи по выходу, рис. 4.3в. Напряжение обратной связи в схеме 4.3в пропорционально двум составляющим: выходному напряжению UCB.Н и выходному току UCB.Т. Из рис. 4.3в легко видеть, что она представляет из себя мостовую схему.
- 20 -
По способу введения сигнала обратной связи во входную цепь усилителя различают: ? последовательную обратную связь, рис. 4.4а ? параллельную обратную связь, рис. 4.4б
? комбинированную обратную связь, рис. 4.4в
Рис. 4.4 - Способы введения сигнала обратной связи а) последовательная по входу обратная связь б) параллельная по входу обратная связь в) мостовая (комбинированная) по входу обратная связь
Из рис. 4.4в видно, что эта мостовая схема. Более подробные сведения можно найти в учебнике [1].
4.2. Влияние обратной связи на коэффициент усиления по напряжению.
Для оценки влияния обратной связи на коэффициент усиления по напряжению, рассмотрим последовательный способ введения сигнала во входную цепь, рис. 4.5:
- 21 -
?
Рис. 4.5. Влияние обратной связи на коэффициент усиления
Предположим, что входное сопротивление усиливается ZBX = ? (бесконечно велико). Как видно из рис. 4.5: UBX.ИСТ - UBX.ОС UCB = 0; (4.1)
Здесь UBX.ОС - результирующий сигнал на входе усилителя. Из уравнения (4.1) следует: UBX.ОС = UBX.ИСТ UCB;
Как видно из уравнения (4.2) К не изменяется; но по отношению к сигналу источника UBX.ИСТ, коэффициент усиления становится другим: UВЫХ.ОС = КОС· UBX.ИСТ; (4.3)
Левые части уравнений (4.2) и (4.3) равны, значит равны и правые. Тогда можно записать:
K U BX.ИСТ KOC U BX.OC
? F ; (4.4)
т.е. коэффициент усиления при введении обратной связи изменяется пропорционально изменению входного сигнала. Величину F называют возвратной разностью.
Учитывая, что: UBX.ИСТ = UBX.ОС - UCB;
- 22 -
И с учетом (4.4), получим после подстановки: F ? UBX.OC ?UCB ?1? UCB ?1?T ; (4.5) BX.OC BX.OC
U U
Комплексную величину Т называют возвратным отношением: T ? ? UCB ? ? UCB ?UВЫХ.OC ? ? UCB ?UВЫХ.OC ? ?? ?K BX.OC BX.OC ВЫХ.OC ВЫХ.OC BX.OC
U U U U U
Таким образом, петлевой коэффициент усиления Т равен произведению коэффициентов передачи петли обратной связи.
Модуль величины | Т | показывает изменение сигнала при прохождении через цепь обратной связи. Если | F | > 1, то обратную связи называют отрицательной (ООС); если же | F | < 1, то положительной (ПОС).
При ООС коэффициент усиления усилителя с обратной связью уменьшается: KOC ? F ? 1? K? K ; (4.6)
K
?
а при ПОС - возрастает:
KOC ? F ? 1? ? ? K ; (4.7)
K
K
В групповых усилителях МЭС применяют комбинированную глубокую ООС (F>>1); тогда из уравнения (4.6) следует: KOC ? 1? K?K ? 1 ; (4.8)
?
?
т.е. свойства усилителя с ООС определяются в основном цепью четырехполюсника обратной связи. Это обстоятельство находит широкое применение на практике.
- 23 -
4.3. Влияние отрицательной обратной связи на нестабильность усиления.
При работе усилителя его коэффициент усиления может изменяться вследствие изменения параметров усилительных элементов и деталей схемы. Кроме того, значительное влияние на коэффициенты усиления оказывают: старение усилительных элементов, деталей схемы, изменение температуры, влажности и др. Эти причины называются дестабилизирующими факторами.
Количественно изменение коэффициента усиления под влиянием дестабилизирующих факторов оценивают величину без обратной связи: dq ? DK ; (4.9)
K
где DK -дифференциал коэффициента усиления усилителя. Нестабильность усиления усилителя с обратной связью DQCB определяется: DQCB ? DKCB ; (4.10) CB
K
Подставляя в (4.10) выражение для КОС и продифференцировав - получаем для ООС:
DQCB ? d?1? K?K ? ? 1?dq?K ? dq ; 1? ? ?K
? ?
K
? ?
?
?
F
Следовательно, ООС стабилизирует коэффициент усиления усилителя, уменьшая его нестабильность. При глубокой ООС (F>>1) KOC ? 1?
- 24 -
4.4. Влияние ООС на нелинейные искажения и помехи.
Z ? Z ?
В усилительных устройствах всегда возникают нелинейные искажения; кроме того, имеются помехи. Введение ООС уменьшает нелинейные искажения и помехи в глубину ООС раз [1]:
UГ.OC ? 1? ?Г?K ? F
U U
Г
UП.OC ? 1? ? ?K ? F
U U
П П
Следовательно, ООС уменьшает, а ПОС увеличивает помехи и искажения, возникающие в части усилителя, охваченный обратной связью.
В современных групповых усилителях требуется высокое затухание нелинейности (до 80 ? 90 ДБ и выше). Достижение столь высоких значений невозможно без применения глубокой ООС.
4.5. Влияние ООС на выходное и входное сопротивления усилителя.
Обратная связь изменяет выходное и входное сопротивления цепи, к которой оно подключен. Рассмотрим общий случай, т.е. комбинированного подключения четырехполюсника обратной связи вначале к выходной цепи усилителя, а затем - входной цепи.
Выходное сопротивление усилителя без обратной связи равно: UВЫХ.ХХ ВЫХ
;
Z ?
I
ВЫХ.КЗ где UВЫХ.ХХ - напряжение холостого хода, а ІВЫХ.КЗ - ток короткого замыкания.
Выходное сопротивление усилителя с обратной связью равно:
FВЫХ.КЗ ВЫХ.OC ВЫХ
ВЫХ.XX
F
; (4.11)
здесь FВЫХ.КЗ глубина ООС на выходе усилителя в режиме короткого замыкания; FВЫХ.ХХ - глубина ООС на выходе усилителя в режиме холостого хода.
Формула (4.11) называется формулой Блекмана для выходной цепи. Из нее следуют частные случаи:
- 25 -
1) В схеме отсутствует ООС по напряжению; тогда FВЫХ.ХХ = 1, а ZВЫХ.ОС равно: Z ? Z ?
;
ZВЫХ.ОС = ZВЫХ. · FВЫХ.КЗ ;
Т.е при последовательном подключение четырехполюсника обратной связи к выходу усилителя, его выходное сопротивление возрастает.
2) В схеме отсутствует ООС по току; тогда FВЫХ.КЗ = 1, а ZВЫХ.ОС равно: ZВЫХ.ОС = ZВЫХ ; ВЫХ.ХХ
F
Т.е при параллельном подключении четырехполюсника обратной связи к выходу усилителя, его выходное сопротивление уменьшается.
Подбирая FВЫХ.ХХ и FВЫХ.КЗ можно всегда согласовать ZВЫХ. с нагрузкой. Это обстоятельство широко используется на практике.
Аналогично определяется входное сопротивление усилителя:
FBX.КЗ ВХ.OC ВХ
ВХ.XX
F
(4.12)
Формула (4.12) называется формулой Блекмана для входной цепи. Аналогично, последовательное подключении цепи обратной связи ко входу усилителя увеличивает сопротивление: ZBX.ОС = ZBX. · FBX.КЗ ;
А при параллельном - уменьшает: ZBX.OC ? ZBX ; ВХ.XX
F
Регулировка глубины обратной связи в схемах групповых усилителей осуществляется элементами групповой схемы. Обычно для этих целей используется несимметричная дифференциальная схема [1].
- 26 -
4.6. Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику усилителя.
Обратная связь, изменяя коэффициент усиления усилителя, изменяет его частотную, фазовую и переходную характеристики. Применительно к ООС, которая обычно используется в усилителе, различают частотно-независимую и частотно-зависимую обратные связи.
В случае частотно-независимой ООС можно получить коэффициент частотных искажений в виде [1]: MCB ?1?1M??1 ;
?
?K
где М - коэффициент частотных искажений усилителя без обратной связи. При этом полоса частот усилителя расширяется, а коэффициент усиления усилителя, как было отмечено выше, уменьшается в глубину ООС раз.
В другом случае, частотно-зависимой ООС, можно получить желаемую АЧХ (ФЧХ и переходную характеристику), если применить глубокую ООС и зависимость ?(f). Это свойство широко используется в групповых усилителях, в конструировании усилителей и устройств с заданными параметрами. Например, в линейных усилителях систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК), требуется АЧХ подъемом в области ВЧ, рис. 4.6:
Рис. 4.6. Влияние частотно-зависимой ООС на коэффициент усиления усилителя
- 27 -
Такую характеристику можно реализовать, если напряжение обратной связи будет уменьшаться с ростом частоты.
4.7. Устойчивость усилителей с обратной связью.
Усилители с ООС при определенных условиях могут самовозбуждаться, т.е. генерировать электрические колебания. Это свидетельствует о том, что усилитель прекращает свои функции по усилению электрических колебаний. При этом ООС превращается в ПОС. это происходит обычно за пределами рабочего диапазона частот изза фазовых сдвигов в усилителе и в цепи обратной связи. Фаза как аргумент вектора петлевого коэффициента передачи Т изменяется: Т = - ?·К·е j???К;
где величина ???К определяется как сумма фазовых сдвигов в усилителе и в четырехполюснике обратной связи: ???К = ??К ??? ; (4.13)
Уравнение (4.13) определяет дополнительный фазовый сдвиг к 180? между векторными источниками сигнала UBX.ИСТ и UBX.СВ., т.е. (180? ???К). Причиной изменения фазы являются реактивные элементы схемы, а на высоких частотах дополнительно инерционность работы усилительных элементов.
При ООС и ПОС величина Т является действительной: FOOC = 1 ТООС > 1;
FПОС = 1 - ТПОС < 1;
Пока ТПОС < 1, усилитель не возбуждается, хотя ООС превращается в ПОС, т.е. она оказывается еще недостаточно глубокой для самовозбуждения. Генерация наступает при: ТПОС = 1;
и коэффициент усиления с обратной связью будет иметь бесконечно большое значение:
KOC ? 1?ТПОС ? 1?1 ? ?;
K
K
- 28 -
Практически усилитель возбуждается на низких и высоких частотах при: ТПОС ? 1 и ??К = 180? ???К
Для оценки устойчивости усилителя с обратной связью используются различные критерии. Наиболее приемлемым оказался критерий Найквиста, который заключается в следующем: «Если точка с координатами (-1;0) лежит внутри годографа вектора ? К для диапазона частот от 0 до ?, то система неустойчива, рис. 4.7а; если же точка (-1;0) лежит вне указанного годографа, система устойчива, рис. 4.7б»
Рис. 4.7. Диаграммы Найквиста для неустойчивого а) и устойчивого усилителей б) с обратной связью.
Для повышения устойчивости усилtrialй разработаны методы, суть которых сводится к следующему.
1. В усилителе с обратной связью следует охватить как можно меньше число каскадов, т.к. это уменьшает сдвиг фаз петли обратной связи
2. Применять в охваченных обратной связью каскадах схемы межкаскадовой связи, дающие малые фазовые сдвиги.
3. При проектировании усилителей задаются допустимой степенью приближения годографа Т к критической точке; эта степень получала название запаса устойчивости усилителя. Различают запас устойчивости по модулю “X”: X = - 20lg |TX| при arg TX = ?;
и запас устойчивости по фазе “Y”;
?Y = ? - arg T при |TX| = 1
Для групповых усилителей, имеющих глубокую ООС принимают запасы устойчивости: по модулю 3n ДБ, а по фазе 0,175 рад (10n град.), где n - число усилительных каскадов.
- 29 -
5. Основные схемы каскадов на биполярных и полевых транзисторах.
5.1. Общие сведения.
В настоящее время в усилительной технике наиболее хорошо используются биполярные (БТ) и полевые (ПТ) транзисторы. Для построения усилителей используются ИМС. При этом ИМС при определенных условиях можно рассматривать в целом как некоторый самостоятельный своеобразный усилительный элемент (прибор).
В цепях питания усилительных элементов (УЭ) обычно протекают переменные токи и постоянные составляющее токов. Режим работы УЭ при отсутствии сигнала на его входе называют режимом по постоянному току.
Рис. 5.1. Цепи питания электродов биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером.
На рис. 5.1. показаны цепи питания БТ для случая, когда напряжение (ток) смещения (ІБ0) создается отдельным источником питания ЕСМ. Резистор RCM в данной схеме является ограничивающим величину тока базы (смещения) ІБ0. В выходной электрод включен второй, основной источник питания ЕП. С помощью резистора RK обеспечивается необходимый режим работы транзистора.
Для данной схемы напряжение коллектор-эмиттер UКЭ (UK0) будет равно: UK0 = ЕП - ІК0·RK ;
в цепи эмиттера протекает сумма токов ІБ0 и ІК0: ІЭ0 = ІБ0 ІК0.
- 30 -
Емкость СР является разделительной. Для расчета используют семейство статических характеристик, рис. 5.2:
Рис. 5.2. Семейство входных а) и выходных б) статических характеристик для схемы с общим эмитером Р.Т. - рабочая точка.
Использовать два источника питания для маломощных каскадов усиления нерационально. Поэтому практические схемы обычно имеют один источник питания ЕП, а смещение и стабилизацию обеспечивают с помощью специальных цепей, называемых цепями смещения и стабилизации. Для этой же цели разработаны специальные схемы, к рассмотрению которых мы перейдем.
5.2. Схема с эмиттерной стабилизацией.
Схема эмиттерной стабилизацией (ЭС) имеет три сопротивления: R"Б, R"Б и RЭ. индексы отражают названия электродов, к которым подключены эти сопротивления, рис. 5.3:
Рис. 5.3 Схема эмиттерной стабилизации, транзистор включен по схеме с ОЭ.
- 31 - здесь
R ?
Элементы одного каскада условно отделены от другого пунктирными линиями. Нагрузкой каскада может быть аналогичный каскад; тогда вместо RH будем указывать RBX.СЛ - входное сопротивление следующего каскада.
Известно, что для БТ характерным является наличие заметного входного тока ІВХ.0 = ІБ0, как было отмечено выше через сопротивление RЭ приходит сумма токов: ІЭ0 = ІБ0 ІК0. отпирающее напряжение смещения (между базой и эмиттером) UCM = UБ0 должно быть положительным для транзистора n-p-n, а для транзистора p-n-p - отрицательным: UБ0 = [UR"Б - URЭ] = ІДЕЛ ·R"Б - ІЭ0 ·RЭ = [ІДЕЛ ·R"Б - (IK0 - ІБ0)]; (5.1)
Должно выполняться условие: |UR"Б| > |URЭ|;
Здесь R"Б и R"Б - делитель напряжения в цепи базы. Для БТ при расчетах иногда удобнее использовать вместо напряжения UБ0, ток смещения ІБ0. Эти величины однозначно связаны входной характеристикой, рис. 5.2а.
Данная схема обеспечивает не только необходимое смещение для транзистора, но и стабилизирует положение РТ при действии дестабилизирующих факторов (температуры, нестабильности источника питания, старения элементов схемы, разброса параметров транзистора и др.). Например, при увеличении тока ІК0 величина UБ0 уменьшается, в уравнении (5.1) и наоборот. Это стабилизирует положение РТ и можно сказать является результатом введения ООС. Напряжение обратной связи создается на сопротивлении RЭ: UCB = ?IK0· RЭ. (5.2) где ?IK0 - изменение тока коллектора. С увеличением RЭ возрастает UCB и ее глубина: FПОСЛ? ?1? (1? h21Э )? RЭ ; (5.3) Б ВХ.Э
R ? R
R"Б ?R""Б Б R"Б ?R""Б
- эквивалентное сопротивление делителя; h21Э - статический коэффициент усиления по току БТ в схеме с общим эмиттером; RBX.Э - входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером. Из уравнения (5.2) видно, что с увеличение RЭ возрастает UCB и ее глубина, уравнение (5.3). Напряжение ООС подается на вход транзистора через сопротивление делителя R"Б и R"Б. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее работает данная схема, тем лучше стабилизация режима.
- 32 -
Однако выбирать очень малыми сопротивления в цепи базы нельзя, т.к. эти сопротивления шунтируют вход УЭ и уменьшают передаваемое на вход напряжение сигнала. Данная схема является одной из самых эффективных схем, используемых в радиоэлектронике.
5.3. Схема с фиксированным током базы (ФТБ).
Если в схеме с ЭС положить RЭ = 0 и R"Б = ?, то схема упрощается, рис. 5.4:
Рис. 5.4. - Схема с фиксированным током базы
Для этой схемы по закону Кирхгофа: ЕП = ІБ0·RБ UБ0;
Откуда видно, что ток смещения (ток базы ІБ0) равен: ІБ0 ? ЕП ?UБ0 ? ЕП ; Б Б
R R т.к. ЕП > UБ0. В этой схеме ток смещения практически не зависит от параметров транзистора.
- 33 -
5.4. Схема с фиксированным напряжением.
В этой схеме RЭ = 0, рис.5.5:
Рис. 5.5 Схема с фиксированным напряжением смещения. Транзистор включен по схеме с ОЭ.
Необходимое напряжение смещения в этой схеме обеспечивается с помощью делителя R"Б и R"Б. Из рис. 5.5 следует: ЕП = ІДЕЛ·R"Б (ІДЕЛ ІБ0)·R"Б;
Решая это уравнение относительно ІДЕЛ, получаем: ЕП ?ІБ0R"Б ДЕЛ R"Б ?R"Б i ?