Курсовой проект «Компьютерное моделирование влияния отрицательной обратной связи на показатели резистивного усилителя»

1. Постановка задачи

1. Изучить по указанной в разделе 8 литературе:

- виды и принцип действия обратных связей;

- схемотехнику применения (получения, введения) отрицательных обратных связей;

-влияние ООС на усилительные свойства усилителя и стабильность сквозного коэффициента усиления напряжения;

- влияние ООС на нелинейные искажения;

- влияние ООС на линейные искажения;

- способы корректирования АЧХ усилителя с помощью частотно-зависимой ООС;

- влияние ООС на входные и выходные сопротивления усилителя;

2. Требуется рассчитать для усилительного каскада:

- сквозной коэффициент усиления по напряжению;

- входное сопротивление;

- выходное сопротивление;

- верхнюю граничную частоту.

Расчеты провести:

- для каскада без ООС:

- для каскада с последовательной частотно-независимой ООС по току.

3. Экспериментально проверить с использованием компьютерного моделирования основные положения теории усилительных устройств в ООС:

3.1. Исследовать влияние ООС на усилительные свойства усилителя и стабильность сквозного коэффициента усиления напряжения:

- в режиме работы усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению;

- в режиме работы усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по току;

- в режиме работы усилителя с комбинированной по входу и выходу отрицательной обратной связью;

3.2. Исследовать амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) усилителя:

- АЧХ усилителя без ООС;

- АЧХ усилителя с частотно-независимой последовательной ООС по току;

- АЧХ усилителя с частотно-зависимой ООС (последовательной, по току);

3.3. Исследовать влияние ООС на входное сопротивление усилителя:

- для усилителя с последовательной по входу ООС;

- для усилителя с параллельной по входу ООС;

- для усилителя с комбинированной по входу ООС.

3.4. Исследовать влияние ООС на выходное сопротивление усилителя:

- для усилителя с ООС по току (по выходу);

- для усилителя с ООС по напряжению (по выходу);

- для усилителя с ООС, комбинированной по выходу.

2. Краткие теоретические сведения об обратных связях в усилительных устройствах

Обратной связью называется связь, при которой происходит передача сигнала (напряжения, тока) из выходной цепи усилителя во входную (рис).

В усилительных устройствах широко применяется отрицательная обратная связь (ООС), которая используется для уменьшения искажений, повышения стабильности усиления и режима работы усилительных элементов.

Как видно из рисунка, в узле 1 суммируются сигналы (U,I) от источника и от выхода усилителя.

Если фазы этих сигналов совпадают, то их общая амплитуда возрастает как в точке 1, так и в точке 2 – это положительная обратная связь.

При противоположной фазе – отрицательная обратная связь, вносящая ослабление.

ООС – частотно-независимая, если коэффициент передачи напряжения (тока) цепи ОС не зависит от частоты, в отличие от частотно-зависимой.

Если цепь, элемент ОС является неотъемлемой частью усилителя, такая ОС – внутренняя. Если ОС охватывает один каскад многокаскадного усилителя, то это местная ОС, в отличие от общей ОС, охватывающей весь усилитель в целом.

Рассмотрим влияние ООС на коэффициенты усиления, ох­ваченного последовательной обратной связью по напряжению.

В структурную схему входит цепь прямой передачи и цепь обратной связи (цепь обратной передачи). Предпо­лагается, что указанные цепи линейные. На усилитель с обратной связью подается внешний синусоидальный вход­ной сигнал u_вх1, а на цепь прямой передачи — сигнал u_вх2.

Цепь прямой передачи характеризуется комплексным коэффициентом усиления по напряжению (коэффици­ентом прямой передачи):

,

где , — соответственно комплексные действу­ющие значения напряжений u_вх2 и u_вых.

Цепь обратной связи характеризуется комплексным коэффициентом обратной связи :

где — комплексное действующее значение напряже­ния обратной связи u_ос.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. определяется по формуле

где -комплексное действующее значение напряже­ния u_вх1.

Легко заметить, что при отрицательной обратной связи

т.е. коэффициент усиления по напряжению при последовательной отрицательной обратной связи уменьшается.

Коэффициент усиления по току при этом виде обратной связи не изменяется:

,

полагая при этом, что U_вх2 и R_вх (т.е. I_вх) усилителя не изменяются при введении обратной связи.

Рассмотрим влияние ООС на коэффициенты усиления, ох­ваченного параллельной обратной связью по напря­жению:

Так как для этого вида обратной связи

,

то коэффициент усиления по напряжению при этом виде обратной связи не изменяется:

Коэффициент усиления по току при этом виде обратной связи (отрицательной):

и, соответственно,

- уменьшается.

При комбинированной по входу ОС составляющая последовательной ОС влияет только на коэффициент усиления по напряжению, а составляющая параллельной ОС – только на коэффициент усиления по току.

Величину называют глубиной обратной свя­зи, а величину называют петлевым усилением. Если глубина обратной связи достаточно велика, то » 1 и

Отсюда можно сделать следующий очень важный вы­вод: если глубина отрицательной обратной связи достаточ­но велика, то коэффициент усиления усилителя, охвачен­ного обратной связью К_иос, зависит только от свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств в цепи прямой передачи

Как видно, усилитель и цепь ОС составляют замкнутое кольцо, которое принято называть петлей обратной связи. Для анализа свойств ОС вводятся показатели:

- глубина обратной свя­зи (отрицательной) F =

- комплексный коэффициент обратной связи .

- коэффициент петлевого усиления

- величина возвратного отношения .

При этом глубина ООС:

Величина возвратного отношения Т – комплексная величина, характеризуется модулем Т и аргументом _Т - фазой обратной связи.

Модуль глубины ОС F определяется через Т и _Т:

.

Данное соотношение позволяет анализировать влияние обратной связи на устойчивость усилителя, используя критерий Найквиста.

Отрицательная обратная связь уменьшает в F раз нестабильность q_e сквозного коэффициента усиления при воздействии дестабилизирующих факторов:

Относительную нестабильность сквозного коэффициента усиления можно рассчитать:

,

где Ке1 и Ке2 - сквозные коэффициенты усиления, соответствующие разным состояниям дестабилизирующих факторов.

Достаточно просто можно показать, что для последовательной отрицательной обратной связи

т.е. входное сопротивление по модулю увеличивается.

При параллельной отрицательной обратной связи при сохранении входной ток увеличивается на величину тока обратной связи, что приводит к уменьшению входного сопротивления:

При этом изменения входного сопротивления не зависят от способа получения обратной связи на выходе усилителя.

При комбинированной по входу ОС две составляющие сигнала ОС действуют в противоположных направлениях. Значение входного сопротивления после введения ОС зависит от соотношения составляющих обратной связи в сигнале комбинированной ОС.

Влияние ООС на входные и выходные сопротивления легко определять по формуле Блекмана: ,

где и - сопротивления (входные или выходные) при наличии или отсутствии обратной связи, а и - глубина обратной связи при бесконечно малом или бесконечно большом сопротивлении источника сигнала или нагрузки, соответственно.

Влияние ООС на АЧХ определяется тем, что верхняя граничная частота усиления

- увеличивается в F раз.

Аналогично показывается расширение частотного диапазона в области НЧ. Т.о., уровень линейных искажений уменьшается в F раз.

Напряжение гармоник или помех в усилителе с ООС уменьшается:

где - напряжение гармоник и помех до введения ОС.