5.6.1.Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики усилителя
Выясним,
как изменяются при введении отрицательной
обратной связи амплитудно-частотная
характеристика, стабильность коэффициента
усиления, величина входного и выходного
сопротивлений усилителя. Ранее было
показано, что 
–
каскад имеет максимум коэффициента
усиления в области средних частот и
уменьшение коэффициента усиления в
области низких и высоких частот. Ширина
полосы пропускания усилителя определяется
верхней 
и
нижней 
граничными
частотами, которые связаны с параметрами
усилителя. Для
-
усилителя, охваченного отрицательной
обратной связью, коэффициент усиления
в области высоких частот равен:
.
(5.71)
Числитель (5.71) - это коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью в области средних частот:
.
(5.72)
С учетом этого коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью в области высоких частот равен:
,
(5.73)
Где
.
(5.74)
Из
выражения (5.74) следует, что постоянная
времени нагрузочной цепи усилителя,
охваченного последовательной отрицательной
связью по напряжению в (
)
раз меньше постоянной времени нагрузочной
цепи усилителя без обратной связи. Это
означает, что верхняя граничная частота
усилителя
увеличивается
в (
)
раз, расширяя полосу пропускания
усилителя.
В области низких частот коэффициент усиления - усилителя с отрицательной обратной связью равен:
.
(5.75)
Выражение в числителе – это коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью в области средних частот:
.
(5.76)
С учетом этого выражение для коэффициента усиления усилителя в области низких частот запишется в следующем виде:
,
(5.77)
Где
.
(5.78)
Таким
образом, постоянная времени переходной
цепи усилителя, охваченного последовательной
отрицательной обратной связью по
напряжению, в 
Раз
больше постоянной времени усилителя
без обратной связи. При этом нижняя
граничная частота усилителя уменьшается
в
раз,
то есть происходит расширение полосы
пропускания в сторону низких частот.
Введение
в усилитель отрицательной обратной
связи уменьшает нестабильность
коэффициента усиления, причиной которой
являются факторы окружающей среды –
время, температура, влажность, давление,
оказывающие влияние на параметры
активных и пассивных элементов. Для
усилителя с обратной связью изменение
коэффициента усиления оценивают
относительной величиной при постоянной
величине коэффициента обратной связи.
Если по каким-либо причинам коэффициент
усиления усилителя изменяется на
величину 
,
то коэффициент усиления усилителя с
обратной связью также изменится на
некоторую величину 
.
Для усилителя с отрицательной обратной
связью
.
(5.79)
Продифференцируем
это выражение по 
При 
:
.
(5.80)
Из этого выражения следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, уменьшаются пропорционально глубине обратной связи и равно
.
(5.81)
При
глубокой отрицательной обратной
связи 
и
коэффициент усиления усилителя с
обратной связью равен:
.
(5.82)
Таким образом, при глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления не зависит от параметров усилителя, а определяется только параметрами цепи обратной связи.
Введение
в усилитель отрицательной обратной
связи изменяет величину его входного
и выходного сопротивлений. Результаты
влияния обратной связи на
величину 
и 
приведены
в таблице 5.1.
Влияние отрицательной обратной связи на и Таблица 5.1
-
Обратная связь по напряжению
Обратная связь по току
Последовательная
Параллельная
Последовательная
Параллельная
Из таблицы видно, что последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя пропорционально глубине обратной связи, а параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление пропорционально глубине обратной связи.
Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя пропорционально глубине обратной связи, а отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя пропорционально глубине обратной связи.
Возможность увеличения входного сопротивления и уменьшения выходного сопротивления усилителя является важным свойством отрицательной обратной связи с точки зрения согласования каскадов усиления.
Типичными каскадами с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению являются эмиттерный (рис.4.26) и истоковый (рис.4.35) повторители. В этих каскадах имеет место 100% отрицательная обратная связь по напряжению. Такой вид обратной связи обусловливает высокое значение входного сопротивления и низкое значение выходного сопротивления этих каскадов, что позволяет использовать их в качестве согласующих каскадов.
Ниже
приводятся схемы некоторых усилителей
с различными видами отрицательной
обратной связи. На рис.5.27 показана схема
однокаскадного усилителя напряжения
с последовательной отрицательной
обратной связью по току. В этом усилителе
ток коллекторной нагрузки, протекая
через резистор обратной связи 
,
преобразуется в напряжение, которое
приложено к эмиттерному переходу
транзистора в противофазе по отношению
к напряжению, действующему на входе.
Рис.5.27. Усилитель с последовательной отрицательной обратной связью по току
На рис.5.28 показана схема усилителя напряжения с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению.
Рис.5.28. Усилитель с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению
В
этом каскаде напряжение обратной связи,
создаваемое на резисторе 
,
поступает на базу транзистора в
противофазе с напряжением, действующим
на входе.
На рис 5.29 показана схема двухкаскадного усилителя напряжения с параллельной отрицательной обратной связью по току.
Рис.5.29. Усилитель с параллельной отрицательной обратной связью по току
В
этом каскаде в базу первого транзистора
втекает ток источника сигналов 
и
ток обратной связи 
.
2) Выпрямительные устройства предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного
тока.
Выпрямители бывают управляемые и неуправляемые. В зависимости от числа фаз источника питания существуют однофазные и трехфазные выпрямители. По способам преобразования переменного тока различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители.
На рис. 23 приведена электрическая схема и временные диаграммы напряжения и тока в однофазном однополупериодном выпрямителе.
|
|
Рис. 23
Вследствие
односторонней проводимости диода
(вентиля) ток в нагрузке проходит в один
полупериод, а в другой полупериод
тока в цепи нет. В положительный
полупериод 
.
В отрицательный полупериод 
.
Таким образом, в нагрузке имеем пульсирующий ток, который можно представить в виде суммы двух составлящих: постоянной и переменной. Постоянную составляющую тока или напряжения можно определить как среднее значение мгновенной величины за период.
Основными параметрами, характеризующими работу выпрямителя являются:
1
- средние значения тока и напряжения на
нагрузке 
2
- коэффициент пульсаций 
,
где 
-
амплитуда основной гармоники
выпрямленного напряжения.
Для однополупериодного выпрямителя = 1,57.
Подобные выпрямители служат для питания цепей малой мощности и
высокого напряжения, например электронно-лучевых трубок.
Достоинства данной схемы:
1. Простота конструкции.
2. Малое число диодов.
Недостатки:
1. Большой коэффициент пульсаций.
2. Наличие постоянной составляющей тока в обмотке трансформатора.
Дио́дный мо́ст — электрическая схема, предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий. Такое выпрямление называется двухполупериодным].
Схемы однофазного моста Гретца итрёхфазного выпрямителя Ларионова на трёх параллельных полумостах
Схема включения
Выполняется по мостовой схеме Гретца. Изначально она была разработана с применением радиоламп, но считалась сложным и дорогим решением, вместо неё применялась схема Миткевича со сдвоенной вторичной обмоткой в питающем выпрямитель трансформаторе. Сейчас, когда полупроводники очень дёшевы, в большинстве случаев применяется мостовая схема.
Вместо диодов в схеме могут применяться вентили любых типов — например селеновые столбы, принцип работы схемы от этого не изменится.
Порядок работы
На вход (Input) схемы подаётся переменное напряжение (обычно, но не обязательно синусоидальное). В каждый из полупериодов ток проходит только через 2 диода, 2 других — заперты:
Выпрямление положительной полуволны |
|
Выпрямление отрицательной полуволны |
При выпрямлении 3-фазного тока 3-фазным выпрямителем результат получается ещё более «гладким»
В результате, на выходе (DC Output) получается напряжение, пульсирующее с частотой, вдвое большей частоты питающего напряжения:
Красным — исходное синусоидальное напряжение , зелёным — однополупериодное выпрямление (для сравнения), синим — рассматриваемое двухполупериодное
Выпрямитель
Подключение конденсатора
Практически, для получения постоянного (а не пульсирующего) напряжения, схему надо дополнить фильтром на конденсаторе, а также, возможно, дросселем и стабилизатором напряжения.
Преимущества
Двухполупериодное выпрямление с помощью моста (по сравнению с однополупериодным) позволяет:
получить на выходе напряжение с повышенной частотой пульсаций, которое проще сгладить фильтром на конденсаторе
избежать постоянного тока подмагничивания в питающем мост трансформаторе
увеличить его КПД, что позволяет сделать его магнитопровод меньшего сечения.
Недостатки
Происходит двойное падение напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямлением (прямое напряжение диода × 2 ≈ 1 В), это иногда нежелательно.
При перегорании одного из диодов схема превращается в однополупериодную, что может быть не замечено вовремя, и в устройстве появится скрытый дефект.
БИЛЕТ №4
1) Активные фильтры реализуются на основе усилителей (обычно ОУ)и пассивных RC- фильтров. Среди преимуществ активных фильтров посравнению с пассивными следует выделить:
отсутствие катушек индуктивности;
лучшая избирательность;
компенсация затухания полезных сигналов или даже их усиление;
пригодность к реализации в виде ИМС.
128
Активные фильтры имеют и недостатки:
потребление энергии от источника питания;
ограниченный динамический диапазон;
дополнительные нелинейные искажения сигнала.
В общем случае можно считать, что ОУ в активном фильтрекорректирует АЧХ пассивного фильтра за счет обеспечения разныхусловий для прохождения различных частот спектра сигнала,компенсирует потери на заданных частотах, что приводит к получению крутых спадов выходного напряжения на склонах АЧХ. Для этих целейиспользуются разнообразные частотно-избирательные ОС в ОУ. Вактивных фильтрах обеспечивается получение АЧХ всех разновидностей фильтров: нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ) и полосовых (ПФ).Первым этапом синтеза всякого фильтра является заданиепередаточной функции (в операторной или комплексной форме),которая отвечает условиям практической реализуемости иодновременно обеспечивает получение необходимой АЧХ или ФЧХ (ноне обеих) фильтра. Этот этап называют аппроксимацией характеристикфильтра.Операторная функция представляет собой отношение полиномов:
K(p)=A(p)/B(p),и однозначно определяется нулями и полюсами. Простейший полином числителя - константа. Число полюсов функции (а в активных фильтрахна ОУ число полюсов обычно равно числу конденсаторов в цепях,формирующих АЧХ) определяет порядок фильтра. Порядок фильтрауказывает на скорость спада его АЧХ, которая для первого порядкасоставляет 20дБ/дек
Задачу аппроксимации решают для ФНЧ, затем с помощью метода инверсии частоты полученную зависимость используют для других типов фильтров. В большинстве случаев задают АЧХ, принимая нормированный коэффициент передачи:
где f(x) — функция фильтрации; x=ω/ωc — нормированная частота; ωc — частота среза фильтра; ε — допустимое отклонение в полосе пропускания.
Простейшие (первого порядка) ФВЧ, ФНЧ, ПФ и их ЛАЧХ приведены на рисунке 7.16.
В этих фильтрах конденсатор, определяющий частотную характеристику, включен в цепь ООС.
Для ФВЧ (рисунок 7.16а) коэффициент передачи равен:
где τ1=C1R1.
Частоту сопряжения асимптот ω1 находят из условия ω1τ1=1, откуда
f1 = 1/2πτ1.
Для ФНЧ (рисунок 7.16б) имеем:
f2 = 1/2πτ2.
где τ2=C2R2.
В ПФ (рисунок 7.16в) присутствуют элементы ФВЧ и ФНЧ.
Рисунок 7.16. Простейшие активные фильтры
Интегра́тор, блок интегрирования — устройство, выходной сигнал которого пропорционален интегралу от входного сигнала.