1.2.3 Влияние обратной связи на основные показатели усилителя

В усилителях применяется отрицательная обратная связь. Приме­нение её позволяет улучшить показатели качества усилителя, в част­ности: повысить стабильность коэффициента усиления ; уменьшить частотные, фазовые и переходные искажения; уменьшить нелинейные искажения; ограничить влияние собственных шумов.

При этом различные виды отрицательной связи влияют на отдельные технические показатели усилителя по - разному.

Влияние отрицательной связи на коэффициент усиления и его стабильность. В усилителе с обратной связью напряжение на входе изменяется в результате действия обратной связи, т.е

31

U_вх = U_ис - U_oc, ( 1.26)

где U_вх - напряжение на входе усилителя ;

U_ис - напряжение источника сигнала;

U_oc - напряжение обратной связи.

Напряжение обратной связи является частью выходного :

U_oc = U_вых·β , ( 1.27)

где β- коэффициент передачи цепи обратной связи.

Коэффициент усиления усилителя при отрицательной обратной связи равен

К_оос = К_u / ( 1 + β ·К_u ) ( 1.28 )

Из этого выражения становится ясно, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления по напряжению в (1 +βК_u) раз. Сумма (1+βК_u) называется глубиной обратной связи. Она показывает, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления при введе­нии обратной связи. Произведение βKu называется коэффициентом петлевого усиления. Он равен отношению напряжения обратной связи к первоначальному напряжению:

β·K_u = U_oc / U_вх. ( 1.29)

Рисунок 1.14 – Схема к определению коэффициента усиления при обратной

связи по напряжению

32

Коэффициент усиления должен быть постоянным. Однако на показатели усилителя действую ряд дестабилизирующих факторов: нестабильность источников электропитания, разброс параметров элементов схемы и их старение, изменение температуры окружающей среды и т.д. Все это вызывает нестабильность параметров, в том числе и коэффициент усиления.

При отрицательной обратной связи нестабильность коэффициен­та усиления уменьшается пропорционально глубине обратной связи.

Физическая сущность стабилизации коэффициента усиления состо­ит в следующем. Если, например, по каким-либо причинам усиление увеличилось, то напряжение на выходе возрастёт, вызывая увеличение напряжения обратной связи, что ведет к уменьшению напряжения на входе, а следовательно, и на выходе. В результате напряжение на выходе изменится незначительно. Так же стабилизация осуществляется и при уменьшении усиления.

Влияние отрицательной обратной связи на частотную, фазо­вую и переходную характеристики. Частотно - независимая отрица­тельная обратная улучшает частотную, фазовую и переходную харак­теристики усилителя, расширяя полосу усиливаемых частот. Это про­исходит потому, что на крайних частотах диапазона, где усиление обратной связи уменьшается, глубина обратной связи , также уменьша­ется. А так как напряжение обратной связи уменьшается, то суммарное напряжение на входе возрастает и усиление увеличится. В результате частотная характеристика поднимается и полоса усиливаемых частот расширяется, как показано на рисунке 1.15, на котором кривая 1 -частотная характеристика усилителя без обратной связи, кривая 2-частотная характеристика усилителя с отрицательной обратной связью. Таким образом отрицательная обратная связь выравнивает частотную характеристику.

Рисунок 1.15- Выравнивание частотной характеристики при

отрицательной обратной связи

Отрицательная обратная связь уменьшает фазовые сдвиги в усили­телей фазовая характеристика приближается к линейной. Фазовые искажения в усилителе под действием отрицательной обратной связи уменьшаются.

33

Переходная характеристика в усилителях с отрицательной обратной связью также улучшается, поскольку уменьшается время восстановления, Это происходит вследствие уменьшения входной ёмкости усилительных приборов под действием отрицательной обрат­ной связи. Спад вершины импульса уменьшается в результате стаби­лизации коэффициента усиления усилителя, т.е. подъёма частотной характеристики.

В усилителях часто необходимо скорректировать (исправить) опре- делённый участок частотной характеристики. Для этого используется частотно-зависимая отрицательная обратная связь, в цепи которой имеются частотно-зависимые элементы (индуктивности, ёмкости).

Принцип действия частотно-зависимой отрицательной обратной связи рассмотрим на примере цепи, состоящей из резистора Roc и кон­денсатора С_ос (рисунок 1.16.а). На высоких частотах сопротивление конденсатора С_ос уменьшается, шунтируя выход цепи обратной связи.

С повышением частоты шунтирующее действие ёмкости возрастает и напряжение на выходе цепи обратной связи уменьшается. Частотная характеристика коэффициента передачи напряжения цепи обратной связи р снижается (участок БВ на рисунке 1.16,б), т.е. действие обратной связи уменьшается и коэффициент усиления каскада увеличивается. Частотная характеристика в корректируемой области частот поднимается (участок БВ на рисунке 1.16,в). На рисунке 1.16,в кривая 1 изображает частотную характеристику усилителя без обратной связи, кривая 2- частотную характеристику усилителя с цепью обратной связи

Влияние отрицательной обратной связи на нелинейные искажения и динамический диапазон усилителя. В процессе работы усилителя из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усили­тельных приборов (транзисторов, ламп) возникают нелинейные иска­жения, т.е. появляются новые гармоники, которых не было на входе усилителя. По цепи обратной связи поступают на вход усилителя и, прой­дя через усилитель, оказываются на выходе, но уже в противофазе с первоначально возникающими гармониками. Поэтому амплитуды паразитных гармоник на выходе усилителя оказываются ослабленными. А значение напряжения полезного сигнала доводится до прежнего увели­чением входного напряжения в (1 + βК_u) раз. Следовательно, введение отрицательной обратной связи увеличивает соотношение между полезным сигналом и паразитными гармониками, возникающими в усилителе.

Таким образом отрицательная обратная связь уменьшает на выходе напряжения различных помех, возникающих в усилителе. Следует отметить, что отрицательная обратная связь уменьшает только те помехи, которые возникают в самом усилителе, охваченном обратной связью, но не уменьшает помехи, подведенные ко входу усилителя вместе с полезным сигналом. Благодаря уменьшению внутренних по­мех расширяется динамический диапазон усилителя. Такое действие отрицательной обратной связи наблюдается при всех способах введе­ния обратной связи.

34

б) в)

а - схема с частотно-зависимой обратной связью,

б, в - частотные характеристики

Рисунок 1.16- Структурная схема усилителя с обратной частотно-зависимой обратной связью и её характеристики

Влияние отрицательной обратной связи на входное и выход­ное сопротивление. Различные виды отрицательной обратной связи влияют на входное и выходное сопротивление усилителя по-разному.

Характер изменения входного сопротивления усилителя, охва­ченного отрицательной обратной связью, определяется способом введения сигнал а во входную цепь и не зависит от способа снятия его с выходной цепи.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя. Это можно объяснить так. Поскольку напряжение отрицательной обратной связи противопо­ложно по фазе напряжению источника входного сигнала, напряжение на входе усилителя и

35

входной ток уменьшаются, что эквивалентно увеличению входного сопротивления.

Входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной об­ратной связью, можно определить по формуле

Z_вх.ос.= Z_вx (1 +β·K_u) , ( 1.30)

Входное сопротивление усилителей обычно имеет активную Rвx и ёмкостную Х_с составляющую. Так как в цепи обратной связи сдвига по фазе нет, то и активная и ёмкостная составляющие входного соп­ротивления возрастают одинаково в (1 + βК_u) раз:

R_вx.oc = R_вх (1+βК_u), (1.31)

Увеличение ёмкостной составляющей входного сопротивления эквивалентно уменьшению входной ёмкости в (1+ βК_u) раз:

С_вх.ос=С_вх/(1+βК_u). (1.32)

Параллельная обратная связь по напряжению уменьшает входное сопротивление усилителя. Это происходит потому, что соп­ротивление обратной связи шунтирует входное сопротивление усили­теля.

Изменение входной ёмкости при параллельной отрицательной об­ратной связи. Если обратная связь осуществляется через конденса­тор, то она увеличивает входную ёмкость, а если через резистор, изменяет входную ёмкость.

Аналогично этому последовательная отрицательная обратная связь по току увеличивает входное сопротивление усилителя, охва­ченного обратной связью, а параллельная - уменьшает его.

При всех видах отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя зависит от коэффициента усиления К_u, а следова­тельно, и от сопротивления нагрузки R_н и остается нестабильным.

Во многих усилительных устройствах требуется обеспечить ста­бильное входное сопротивление, не зависящее от коэффициента усиления К_u и сопротивления нагрузки R_н. Это достигается примене­нием смешанной (комбинированной) отрицательной связью, т.е. пос­ледовательно-параллельной. Подбирая коэффициент передачи цепей обратной связи, можно получить заданное стабильное входное сопро­тивление.

Изменение выходного сопротивления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, определяется способом снятия сигнала с выхода усилителя и не зави­сит от способа введения её во входную цепь усилителя.

36

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя и увеличивает выходную ёмкость:

R_вых.ос.=R_вых/(1+βК_u); С_вых.ос=С_вых/(1+βК_u). ( 1.33)

Уменьшение выходного сопротивления усилителя при отрицательной обратной связи по напряжению объясняется тем, что при возрастании выходного напряжения усилителя увеличивается напряже­ние обратной связи. В результате этого напряжение на входе усилителя, равное разности U - U_oc, уменьшается, вызывая уменьшения U_вых, что эквивалентно снижению выходного сопротивления.

Аналогично действие оказывает и параллельная отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя и уменьшает выходную ёмкость. Такие же изменения вносит и параллельная отрицательная обратная связь по току.

Поэтому с целью уменьшить зависимость выходного сопротивления от нестабильности параметров усилителя применяют смешанную отрицательную обратную связь - по току и напряжению.

Вопросы для самопроверки

І Что такое обратная связь, по каким причинам она возникает в уси­лителе?

2 Составьте структурные схемы усилителей с обратной связью: а)

после­довательной по напряжению; б) последовательной по току; в)

параллель­ной по напряжению; г) однопетлевой; д) многопетлевой.

3 Почему параметры, характеризующие работу усилителя с обратной свя­зью, в

общем случае являются комплексными?

4 Укажите вид обратной связи, если сдвиг фаз между входным напряже­нием и

напряжением обратной связи равен: а) 0°; б) 100°; в) 180°; г) 270°; д) 360,°.

5 Усилитель состоит из трех каскадов, коэффициенты усиления которых

соответственно равны: К₁= 20; К₂= 30; К₃= 15. Последние два каска­да

охвачены отрицательной обратной связью, причем β = 0,3. Найдите общий

коэффициент усиления усилителя. Ответ выразить в децибелах.

6 Какое из приведенных выражений характеризует усилитель, охвачен­ный

отрицательной обратной связью:

а ) К_св = К / (1- βK_u ) б) К_св = К /(1+К_u) в) К_св = К / 1- К_u

г) К_св = К / (1+ βK_u )

7 Объясните физический смысл изменения величины коэффициента усиле­ния

усилителя при введении отрицательной обратной связи.

8 Как влияет отрицательная обратная связь на стабильность коэффициен­та

усиления?

9 Почему увеличение входного сопротивления усилителя, охваченного

отрицательной обратной связью, оказывает благоприятное влияние на работу

схемы?

37

10 Объясните смысл уменьшения нелинейных искажений в усилителе,

охваченном отрицательной обратной связью.

11 Можно ли уменьшить влияние помех, попадающих на вход усилителя, с

помощью обратной связи?

12 Нарисуйте и сравните амплитудно-частотные характеристики типовой

схемы двухкаскадного резистивного усилителя, если:

а) усилитель работает без обратной связи; б) усилитель охвачен

глубокой отрицательной обратной связью; в) усилитель охвачен

положитель­ной обратной связью (βK_u < 1).

13 Какие существуют способы снятия обратной связи и чем они

отличаются друг от друга ?

14 Чем отличается отрицательная обратная связь от положительной ?

15 Чем отличается частотно-зависимая обратная связь от частотно-

независимой ?

16 Из каких соображений выбирают схему и глубину обратной связи в

усилителях, используемых в измерительной аппаратуре ?

Примеры до темы лекции 3

Задача 1

Определить, во сколько раз уменьшается коэф­фициент усиления усилителя К_u=200 при охвате его по­следовательной отрицательной обратной связью по напряжению в виде четырехполюсника R₁= 1 000 Ом и R₂ 19 000 Ом.( рисунок 1.17)

Рисунок 1.17 – Усилитель с последовательной отрицательной обратной связью по

напряжению

38

Решение :

1 Определите коэффициент передачи четырехполюсника по формуле

β = R₂/(R₁+R₂) ;

β= 1 10³/ ( 1 10³ + 19 10³ ) = 0,05

2 Коэффициент усиления усилителя с последовательной обратной отрицательной

связью по напряжению определите по формуле

К _оос = К_u / ( 1 + К_uβ ) ;

К _оос = 200/ ( 1 + 200 0,05) = 18

3 Определите во сколько раз уменьшается коэффициент усиления усилителя с

обратной связью

р = К_u / К_оос ;

р = 200/ 18 = 11.

Ответ : Коэффициент усиления усилителя с отрицательной ООС уменьшается в 11 раз

Задача 2

Коэффициент усиления RС – усилителя на средних частотах К_ср = 100, нижняя граничная частота полосы пропускания f_н=200 Гц, верхняя f_в = 30 кГц. К усилителю подключена цепочка отрицательной обратной связи с β=0,1. Определите коэффициент усиления усилителя, охваченного ООС, а также новые значения нижней f´_н и верхней f^´_в граничных частот и полосу пропускания усилителя.

Решение :

1 Определите нижнею частоту усилителя с ООС по формуле

f^´´_н = f_н / ( 1 + К_uβ ) ;

39

f^´´_н = 200 / ( 1 + 100 0,1 ) = 18 Гц ;

2 Определите верхнию частоту усилителя с ООС по формуле

f^´´_в = f_в · ( 1 + К_uβ ) ;

f^´´_в= 30 10³ · ( 1 +100 0,1) = 330 кГц

3 Определите полосу пропускания усилителя с ООС

∆F = f^´´_в - f^´´_н ;

∆F = 330 000 - 18 = 332982 Гц

4 Определите коэффициент усиления усилителя с ООС

К_оос = Кu/(1 + К_uβ ) ;

К_оос = 100 / (1 + 100 0,1) = 9

Ответ : Коэффициент усилителя с ООС К_оос = 9, полоса пропускания усилителя ООС ∆F= 332982 Гц, f^´´_в = 330 кГц, f^´´_н = 18 Гц.

Задача 3

Нелинейные искажения на выходе усилителя напряжения Кu = 500 составляет

К_г = 11% . Чему должен быть равен коэффициент передачи цепи ООС ( рисунок 1.17 ), чтобы нелинейные искажения составляли 1% ? Какова будет верхняя граничная частота полосы пропускания, если без ООС на была равна 8 кГц ?

Решение :

1 Определите коэффициент передачи усилителя с ООС из формулы

К^´_г = К_г / ( 1 + βК_u ) ;

β = ( К_г - К^´_г) / ( Кu - К^´_г ) ;

β = ( 11 - 1 ) / ( 500 – 0,01) =0,02.

40

2 Определите верхнею граничную частоту усилителя с ООС

f^´´_в = f_в · ( 1 + К_uβ ) ;

f^´´_в= 8 10³ · ( 1 +500 0,02) = 88 кГц

Ответ : Коэффициент передачи усилителя с ООС равна 0,02, верхняя граничная частота усилителя равна 88 кГц.

Задачи для самостоятельной работы

1 Определите входное напряжение U_вх, необходимо для получения выходного напряжения U_вых = 25 В в схеме усилителя (рисунок 1.17). Коэффициент усиления уси­лителя без обратной связи К=200. Резисторы в цепи об­ратной связи R₁=10 кОм, R₂=0,5 кОм.

2 Определить напряжение на выходе и коэффи­циент усиления усилителя с последовательной обратной связью (рисунок 1.17), если на вход усилителя одновременно с входным сигналом U_BX=0,2 В поступает напряжение обратной связи U_oc=0,l В, действующее в противофазе с входным. Коэффициент усиления усилителя без обрат­ной связи К_u=10.

3 Какой по величине необходимо подать сигнал на вход усилителя, охваченного ООС с β=0,05, для того, чтобы получить на выходе усилителя сигнал U_вых=2 В, если К_u=10?

4 Определить напряжение обратной связи U_ос, если при подключении последовательной отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи β=0,2 (рисунок 1.17) выходное напряжение усилителя стало равным 2 В.

5 Определить напряжение обратной связи U_oc, ес­ли при подключении цепи отрицательной последователь­ной обратной связи коэффициент усиления усилителя (К_u= 10) уменьшился в два раза, а выходное напряжение стало равным 3 В.

6 Определить входной ток I_вх, входное напряжение U_BX и коэффициент усиления К_ос усилителя (рисунок 1.17), работающего от генератора напряжения Е_г=0,6 В с внутренним сопротивлением R_г=0,5 кОм. Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя без обрат­ной связи К_u=100, R_вх=0,5 кОм. Выходное напряжение U_вх = 10 В.

7 Для каскада усилителя, охваченного ООС (рисунок 1.17), определить значения:

а) U, U_oc и К_ос если U_вх=0,16В, К_u=30, U_выX= 1,2 В;

б) U_BX, U_oc и Кос, если К_u=40, β=0,02, U_вых=5 В;

в) U_вых, U, U_0с и К_ос ,если U_вх=5В, К_u=20, β=1. Вывести расчетные формулы .

41

8 На вход каскада усилителя, охваченного ООС (рисунок 1.17), поступает сигнал U_BX=1 В. Чему равны U_BbIX, U, U_ос и К_ос, если К_u=60, а β=0,07?

9 Абсолютное изменение коэффициента усиления усилителя с К_u=100 составляет ±10%. Определить, с каким коэффициентом передачи необходимо подключить цепь ООС, чтобы изменения коэффициента усиления К_ос не превышало 1% ; рассчитать также значение Кос после подключения цепи ООС.

Примечание : нужно воспользоваться формулой

∆K_ос/ К_ос ={ 1/(1 + βK_u)}·∆К_u/K_u

10 Определить входное и выходное сопротивления трехкаскадного усилителя, охваченного цепью последовательной ООС по напряжению с коэффициентом передачи β =0,01. Коэффициент усиления каскадов K_u1 = 12, К_u2 =8, К_u3 =5. Входное и выходное сопротивления усилителя без обратной связи R_вх = 500 Ом,

R_вых = 58 Ом.

Примечание : Следует воспользоваться формулами R_вх.ос= R_вх( 1+ β K_u1 К_u2 К_u3 ),

R_вых.ос= R_вых /( 1+ β K_u1 К_u2 К_u3 ),

Литература

1 Гольцев В.Р., Богун В.Д.Диленко В.И. Электронные усилители. М.: Стандарты, 1990. с.21...31.

2 Цыкина А.В. Электронные усилители.-М.: Радио исвязь,198 с. 30...44.

3 Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок.-М.: 1979.с.36...52

4 Колонтаевский Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхематехніка: теорія i практикум.- К.: Каравелла,2003. с.90...94.

5 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.- ;-е

изд. перераб.и доп. – К.: Вища школа, 1989.- 423с. 269 -283.

42

Лекция 4

Экспресс - проверка знаний пройденного материала:

1 Нарисовать простейшие схемы снятия обратной связи

2 Нарисовать простейшие схемы подачи обратной связи на вход усилителя

3 Нарисовать структурную схему усилителя с обратной частотно зависимой

обратной связью и её характеристики

4 Нарисовать схему к определению коэффициента усиления при обратной связи по

напряжению

5 Написать ключевые слова к теме 3

После изучения лекции 4 студент должен знать : электропитания выходной цепи усилительного элемента, подачу напряжения смещения на входе транзистора, режим работы усилительного элемента и стабилизацию рабочей точки транзистора.

Уметь: нарисовать схемы электропитания выходной цепи усилительного элемента, нарисовать схемы с напряжением смещения, нарисовать схемы стабилизации положения точки покоя в транзисторных каскадах.

План ( логика ) изложения матери

1.3 Работа усилительных элементов в каскаде

1.3.1 Электропитание усилительных элементов

1.3.2 Нестабилизированные схемы смещения

1.3.3 Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

1.3 Работа усилительных элементов в каскаде

1.3.1 Электропитание усилительных элементов

Электропитание усилительных элементов в усилительных каска­дах осуществляется от источников первичного электропитания (хими­ческие источники тока) или от источников вторичного электропитания (выпрямителей).

Цепи электропитания должны обеспечить: заданный режим рабо­ты усилительного элемента по постоянному току ; стабилизацию режи­ма работы усилительного элемента, т.е. уменьшить воздействие де­стабилизирующих факторов.

На электроды усилительного элемента надо подавать два напря­жения : постоянное напряжение на выходной электрод и постоян­ное напряжение

( смещение) на управляющий электрод.

Электропитание выходной цепи усилительного элемента. Постоянное напряжение на коллектор биполярного транзистора и на исток полевого транзистора можно подавать двумя способами : пос­ледовательно и параллельно с нагрузкой.

Последовательная схема питания выходной цепи усилительного элемента приведена на рисунке 1.18,а. В этой схеме постоянная составляющая тока

43

выходной цепи I_ко протекает от положительного полюса источника электропитаний Е_к через транзистор (эмиттер – база - коллектор), резистор нагрузки R_н к отрицательному полюсу Е_к. В дальнейшем направление протекания токов будем показывать в следую­щем в виде +Е_к —>(э-б-к)VТ—>R_н— -Е_к. Протекая через резистор R_н, ток I_ко создаёт на нём падение напряжения Iко·Rн.

Напряжение на коллекторе транзистора составляет разность между напряжением источника электропитания Е_к и падением напряже­ния на нагрузке I_коR_н, т.е

U_кэо= Е_к – (I_кo·R_н) , ( 1.34)

Падение напряжение на нагрузке по постоянной составляющей коллекторного тока I_ко является бесполезной потерей напряжения источника электропитания.

Переменная составляющая выходного тока I_к~ в последователь­ной схеме протекает по цепи : эмиттер – коллектор транзистора через нагрузку, источник питания к эмиттеру.

а) б)

а- последовательная ;

б-параллельная

Рисунок 1.18- Принципиальные схемы электропитания выходной

цепи усилительного элемента

Параллельная схема питания выходной цепи усилительного элемента приведена на рисунке 1.18.б. В этой схеме цепи постоянной и переменной составляющих выходного тока разделены. Постоянная составляющая I_ко протекает по цепи : +E_к→(э-б-к)VT→L_др→-Е_к. Переменная составляющая коллекторного тока

I_к~ протекает по цепи : (к-VT)→C_p→R_н→(э-VT) .

Конденсатор С_р не допускает протекания постоянной составля­ющей коллекторного тока I_ко через нагрузку, но пропускает переменную

44

составляющую I_к , оказывая ей незначительное сопротивление.

Дроссель L_др не допускает протекания переменной составля­ющей через источник электропитания Е_к, а постоянной составляю­щей оказывает не значительное сопротивление.

В результате такого разделения токов I_ко и I_к не происходит потерь постоянного напряжения на резисторе нагрузки, а переменная составляющая не протекает в цепи электропитания Е_к. Это является преимуществом параллельной схемы по сравнению с последователь­ной. Но наличие дополнительных деталей - разделительного конден­сатора С_р и блокировочного дросселя L_др - усложняет схему, что является недостатком параллельной схемы.

Напряжение смещения. При выбранном значении постоянного напряжения в выходной цепи усилительного элемента требуемое значение выходного тока в исходном режиме получают путём пода­чи на управляющий электрод определенного значения постоянного напряжения, называемого напряжением смещением ,так как оно сме­щает рабочую точку покоя в заданный участок усили­тельного элемента.

Значение и полярность напряжения смещения зависит от типа усилительного элемента. Например, у биполярных транзисторов типа р-п-р напряжением смещения на базе должно быть отрицательным относительно эмиттера, у транзисторов типа п-р-п - положительным. Его значение составляет обычно порядка 0,1... 0.5 В для германиевых и для кремниевых 0,5...1.0 В .

Режим работы усилительного элемента - это состояние усили­тельного элемента, которое характеризует значениями токов в его це­пях при подачи на его электроды напряжений смещения по постоян­ному току от источника электропитания.

В зависимости от положения исходной рабочей точки на вольт-амперной характеристики усилительного элемента и от того, какой участок этой характеристики используются для работы, различают режимы усиления классов А, АВ, В, С и D .

Режим класса А. В режиме класса А исходную рабочую точку устанавливают на середине прямолинейного участка характеристики, как показано на рисунке 1.19,а (точка А), амплитуда входного сигнала выбирается такой, чтобы максимальной отклонение рабочей точки, вызываемые действием входного сигнала, не оказались за пределами этого участка.

Достоинством режима являются малые нелинейные искажения входного сигнала, поскольку усилительный элемент работает в преде­лах почти прямолинейного участка характеристики. В результате форма выходного сигнала почти не отличается от формы входного сигнала.

Недостатком режима класса А является низкий КПД выходной цепи, который составляет:

η = Р_~/Р_о < 0,5 , ( 1.35)

где: Р _~— полезная выходная мощность сигнала;

Р_о - мощность расходуемая источника электропитания

выходной цепи.

Причиной низкого КПД выходной цепи каскада в режиме класса А

45

а) б )

Рисунок 1.19 - Выходные динамические характеристики усилителя в режимах

А (а) и В, С (б).

является то, что постоянная составляющая выходного тока имеет большое значение и протекает все время - как при сигнале, так и без него.

Размах напряжения выходного сигнала усилителя класса А ограничен величиной, несколько меньшей напряжения источника питания. Поскольку выходное напряжение включает положительную и отрицательную полуволну, то его амплитуда должна быть меньше половины питающего напряжения. Например , напряжение питания усилителя равно Е=20 В, и его рабочая точка на характеристики смещена так, что при отсутствии входного сигнала потенциал коллектора равен половине питающего напряжения, или 10 В. В этом случае размах выходного напряжения не может быть больше, чем ±10 В. Если нелинейные искажения нужно свести к минимуму, выходное напряжение не должно выходить за пределы ±5 В. с тем, чтобы транзистор оставался на линейном участке передаточной характеристики.

Из-за низкого КПД режим класса А применяют в основном для усиления напряжения в маломощных каскадах: предварительного усиления и оконечных каскадах малой мощности. .

Режим класса В. Режимом класса В называют такой режим работы усилительного элемента, при котором от источника электро­питания в

46

выходной цепи протекает за время, равное примерно половине периода сигнала.

В режиме класса В точку покоя выбирается в режиме отсечки: её положение приблизительно соответствует точки В ( рисунок 1.19.б).

Если усилительный каскад класса В включает лишь один транзистор, нелинейные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирующий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную половину входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для воссоздания на выходе сигнала, полностью сходного по форме с входным сигналом, можно использовать два транзистора ( по одному на каждую полуволну входного сигнала), комбинируя их по так называемой двухтактной схеме.

Амплитуда выходного напряжения усилителя класса В равна двойной амплитуде выходного напряжения усилителя класса А. Таким образом, двухтактный транзисторный каскад в режиме класса В позволяет получит выходное напряжение, вдвое больше, чем в режиме класса А.

Класс В является наиболее экономичным для усилителя низкой частоты, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток.

Из рассмотренных свойств двухтактного каскада класса В следует, что такие усилители целесообразнее использовать для усиления мощности, а не напряжения.

Нелинейные искажения можно уменьшить, если вместо режима класса В использовать класс АВ.

Режим класса АВ является промежуточным. Исходная рабочая точка в

данном режиме устанавливается на характеристике в облас­ти отсечки, но ближе к активной области. Угол отсечки при этом оказывается несколько больше 90°. Применяют этот режим только в двухтактных усилителях.

Класс АВ менее экономичен, чем класс В, так как потребляется больший ток от источника питания. Обычно, класс АВ используют лишь в двухтактных схемах.

Режим класса С. Режимом класса С называется такой режим работы усилителя, при котором ток в выходной цепи усилительно­- го элемента протекает за время, составляющее меньше половины пе­риода сигнала.

Исходная рабочая точка в режиме класса С устанавливается правее динамической нагрузочной характеристики. Угол отсечки при этом получается меньше 90°. При отсутствии сигнала ток от источни­ка электропитания в режиме класса С не протекает и КПД выход­ной цепи получается выше, чем в режиме класса В, η =0,85. Но не­линейные искажения оказываются недопустимо большими. Поэтому режим класса С используется только в резонансных усилителях.

Режим класса D. Режимом класса D (или ключевым) называет­ся такой режим, при котором усилительный элемент либо полностью открыт, и тогда через него протекает максимальный ток, либо пол­ностью закрыт, и тогда ток через него не протекает.

В этом режиме потери энергии внутри усилительного элемента очень малый и

47

КПД большой (близко к единицы).

Режим данный применяется для усиления импульсных сигналов в ЭВМ, а также в устройствах управления и регулирования. Иногда его используют в усилителях очень большой мощности.

Положение точки покоя на входных и выходных характеристи­ках выбирается так, чтобы получить наибольший неискаженный сигнал и не превысить предельные режимы транзистора. Для мощных каскадов особенно важно, чтобы мощность, выделяемая на коллекторе, ни в паузе, ни при усилении сигнала не превышала предельного значе­ния Р_к.пред.

При отклонении от выбранного режима (вследствие изменения температуры, замены транзисторов, изменения параметров с течением времени, изменения питающих напряжений) может значительно уве­личить нелинейные искажения, уменьшить усиление, увеличиться вы­деляемая в транзисторе мощность. Последнее может вызвать перегрев транзистора и выход его из строя. Поэтому цепи электропитания должны обеспечить не только выбранный по характеристики исход­ный режим, но и стабильность положения точки покоя на коллекто­рных характеристиках, иначе говоря, сохранение неизменным тока коллектора Iко в процессе работы устройства.

Положение точки покоя на коллекторной динамической характе­ристике определяется величиной тока базы Iбо (или напряжения Uбо) поэтому исходный режим выходной цепи зависит от режима входной цепи, задаваемого смешением. Для схем ОЭ и ОК - это напряжение смещения между базой и эмиттером Uбэо или ток смещений Iбо.

Смещение необходимо для того, чтобы на эмиттерном переходе создавалось начальное прямое напряже­ние, под действием которого происходит инжекция из эмиттера в базу не основных для неё носителей заряда ( дырок в транзисторе р-п-р и электронов в п-р-п) и по­является ток коллектора. Без смещения транзистор зак­рыт, так как в его выходной цепи под действием напря­жения коллектора протекает только очень малый обратный ток коллектора перехода I_к.обр. При подаче сигнала на транзистор, работающий без смещения, усиливается только одна полуволна, и полпериода транзистор ос­таётся закрытым.

В практических схемах для создания смещения используется не отдельный источник Е_б, а источник электропитания коллекторной це­пи Е_к.

Существует много способов создания смещения. Принципиально различают два вида смещения :

• нестабилизированные (фиксированные ), которые только определя­ют исходное положение рабочей точки, т.е. устанавливают, но не стабилизируют в процессе работы ;

• стабилизированные (автоматические), устанавливающие исход­ное положение рабочей точки и удерживающие её в допусти­мых пределах.