11.3. Зворотний зв‘язок у підсилювачах

На вхід підсилювача напруга може надходити не тільки від зовнішнього джерела, але і передаватися з його виходу. Напругу, що надходить з виходу підсилювача на його вхід, називають напругою зворотного зв'язку. Подача її може здійснюватися по спеціально створюваних колах зворотного зв'язку, по внутрішніх колах транзистора, по колах паразитного зв'язку між елементами підсилювача внаслідок наявності між ними паразитних ємностей чи взаємодії магнітних полів.

З

Рис. 11.3. Структурна схема підсилювача зі зворотним зв'язком

воротний зв'язок характеризується коефіцієнтом зворотного зв'язку . Його значення виражається відношенням амплітуди напруги зворотного зв'язку до амплітуди напруги на виході підсилювача : .

Структурну схему підсилювача зі зворотним зв'язком можна зобразити (рис. 11.3) у вигляді двох чотириполюсників: один представляє собою підсилювач без зворотного зв'язку з коефіцієнтом підсилення , другий — коло зворотного зв'язку з коефіцієнтом передачі його .

У підсилювачі без зворотного зв'язку при амплітуді вхідної напруги встановлюється вихідна напруга з амплітудою . Наявність напруги зворотного зв'язку амплітудою приводить до появи вихідної напруги

підсилювача амплітудою При цьому Тоді коефіцієнт підсилення каскаду зі зворотним зв'язком розраховується із співвідношення

Звідси

(11.3)

Коли напруга зворотного зв'язку викликає збільшення подвідної до входу підсилювача напруги порівняно з напругою джерела сигналу, зв'язок називають позитивним; у противному випадку зв'язок буде негативним. При позитивному зворотному зв'язку при негативному Коли фази вхідної напруги і напруги зворотного зв'язку збігаються, якщо фазовий зсув між ними дорівнює , то

11.4. Резисторний підсилювач змінної напруги

Схеми підсилювачів. Для одержання лінійної залежності між змінами напруг u_K і u_Бе в підсилювачі на емітерний перехід транзистора в режимі спокою необхідно подати певну напругу U_БЕС, у колі бази повинен протікати струм І_БС, а в колі колектора — струм І_КС. Живлення кола бази, як правило, подають від джерела в колі колектора. Для цього застосовують включення в коло бази дільника напруги Rl, R2 (рис. 11.4, а). У режимі спокою в колі бази проходить струм спокою І_БС, по резисторі R2 — струм І_2С=U_БС/R2, по резисторі Rl - струм І_БС+І_2С. Напруга бази в режимі спокою U_БС щодо загального проводу підсилювача і з'єднаного з ним емітера є додатною і визначається зі співвідношення U_БС=E_K-I_2С+І_БСR1. Очевидно, у цьому випадку U_БС=U_БЕС. Можна обмежитися включенням тільки резистора R1. Тоді U_БС=Е_К-І_БСR₁.

П

Рис. 11.4. Резисторний підсилювальний каскад на біполярному транзисторі

ідключення джерела змінної напруги до входу підсилювача і навантаження до його виходу викликає певні труднощі. Небажаним є відгалуження частини постійного струму, що протікає по резисторі R1 в коло джерела сигналу, тому що це може привести до зміни режиму роботи транзистора. Не можна допустити щоб на базу транзистора надходила постійна напруга від джерела підсилюваного сигналу. У колі навантаження не допускається протікання постійного струму. Ці явища усуваються шляхом введення розділюючих конденсаторів C_p1 і С_р2 досить великої ємності, що мають малий опір змінному струму, навіть на низьких частотах підсилюваного сигналу. Через них передається змінна напруга, постійна не надходить.

Графічний аналіз роботи. Приймемо, що в режимі спокою на базу транзистора подається напруга зсуву U_БЕС і вхідна напруга. Струм колектора являє собою суму струму спокою І_КС і його змінній складовій і_к: і_к=І_КС+і_к. У діапазоні вкрай низьких частот струм і_к проходить тільки по резисторі R_K. Колекторна напруга u_к визначається зі співвідношення U_к=Е_К-(І_КС+і_кR_К). Взаємозв'язок між струмом і_к і напругою U_K відображає пряма АВ (рис. 11.5.) Коли частота змін струму перевишує десятки герц, змінна складова колекторного струму і_к проходить і по резисторі R_К, і по навантаженню R_Н. Тоді u_к=E_K-І _КСR_K

Ц

Рис. 11.5. Навантажувальні прямі для постійного і змінного струму

я залежність подається графічно навантажувальною прямою по змінному струмі MN. При і_к=0 u_к=U_КС=Е_К-І_КСR_К. Отже, навантажувальна пряма по змінному струмі проходить через точку спокою С.

По навантажувальній прямій АВ можна встановити взаємозв'язок між напругою u_к і струмом і_к при напругах наднизьких частот на вході підсилювача, а по навантажувальній прямій MN — у тому випадку, коли частота їх більш висока.

Вибір режиму по постійному струмі. Лінійна залежність між амплітудами змінних напруг на вході і виході підсилювача можлива, якщо транзистор не буде переходити в режим насичення (u_кu_кнас) чи у режим відсічки (u_K=Е_K). З урахуванням цих вимог вибір величини напруги u_КС повинний бути зроблений так, щоб виконувалося наступне співвідношення:

(11.4)

Якщо встановити напругу спокою U_КС= (Е_К+U_Kнас), то можна одержати максимально припустиму амплітуду вихідної напруги.

Як було відзначено, змінний струм кола колектора (змінна складова) проходить по навантаженню R_Н і резистору R_K. Отже, амплітуда змінної складової колекторного струму І_Кm повинна бути більшою амплітуди струму в навантаженні І_Нm=U_вих.m/R_H. Рекомендується вибирати

(11.5)

Зменшення струму спокою викликає збільшення нелінійних спотворень у підсилювачі, а його збільшення спричиняє зростанню споживаної від джерела живлення потужності, зниження к.к.д. каскаду і зменшення коефіцієнта підсилення по напрузі.

Вибрані величини струму І_КС і напруги U_КС визначають положення точки спокою на сімействі вихідних характеристик транзистора. Це дає можливість визначити струм спокою бази І_БС і з урахуванням його величини по вхідній характеристиці транзистора установити напругу спокою база — емітер U_БЕС.

Розрахунок параметрів елементів. Для кола колектора U_КС=Е_К-І_КСR_K. По відомих напругах E_K, U_КС і струму І_КС знаходимо опір резистора в колі колектора: R_K=(E_K-U_КС)/І_КС. Опір, резистора R2 у колі бази вибирають в межах R₂=(2—5)h_11E. Зменшення опору резистора R2 викликає небажане зниження вхідного опору підсилювача, а збільшення його позначається на стабільності напруги U_БЕС. Як випливає зі схеми підсилювача (рис. 11,4), І_2С=U_БС/R₂, І_1С=І_2С+І_БС, Е_К=U_БЕС+(І_2С+І_БС)/R₁.

Звідси

Ємності розділових конденсаторів C_p1 і С_р2 можна розрахувати із співвідношень:

де f_H — мінімальна частота підсилюваного сигналу.

Еквівалентні схеми підсилювачів для змінного струму. На таких схемах зображують елементи підсилювача, по яких проходять змінні струми за умови, якщо опори їх впливають на амплітуди струмів. Так, еквівалентна схема резисторного підсилювача на біполярному транзисторі для частот сигналів від сотень герц до десятків кілогерц (рис. 11.6, а) містять транзистор, представлений його еквівалентною схемою, резистори Rl, R2 дільника напруги, резистор R_K і навантаження R_H. При цьому не вказується ємність колекторного переходу C_K. На частотах у десятки кілогерц ємнісний опір Х_C=1/C_K є досить високим, вплив його на струм у колі колектора майже не проявляється. Не показуються розділові конденсатори C_pi, С_р2, що володіють малими опорами змінному струму і не впливають на струм у вхідному колі й у навантаженні підсилювача.

Рис. 11.6. Еквівалентні схеми підсилювачів змінного струму на біполярному (а) і польовому (б) транзисторах

З еквівалентної схеми підсилювача на польовому транзисторі (рис. 11.6, б) розділові конденсатори C_p1, С_р2 також виключені.

Джерело вхідної напруги з'єднане безпосередньо з затвором, навантаження підключене до стоку, опори змінному струму між позитивним полюсом джерела живлення і загальним проводом, між джерелом і загальним проводом дорівнюють нулю; електроди показані з'єднаними з загальним проводом накоротко.

По еквівалентних схемах можуть бути розраховані параметри підсилювача й оцінений вплив його елементів на їхні величини. Зробимо такі розрахунки для схеми, представленої на рис. 11.6, а.

Вхідний струм підсилювача і_вх є сумою струмів i₂, і_б. Вхідний опір підсилювача, визначений із співвідношення r_вх.під.=U_вх.m/І_вх., є загальним опором паралельно включених елементів Rl, R2 дільника напруги і вхідного опору транзистора h_11E. Оскільки R₁>>R₂, розрахунок вхідного опору проводиться по спрощеній формулі

Вихідний опір підсилювача можна розрахувати як загальний опір паралельно включених резистора R_K і кола з елементами r_K, r_E. Опір r_K=1/h_22E для малопотужних транзисторів складає десятки-сотні кілоом. Опір r_E є опором області емітера і не перевершує десятків ом. Таким чином, r_E<<r_K і коло з елементів r_K і r_E можна замінити одним лише елементом r_К. Тоді Якщо врахувати, що опір R_К не перевершує одиниць кілоом і R_К<<r_K, то можна прийняти r_{вих.під}R_K.

Вихідна напруга підсилювача — це напруга, що приходиться на паралельно включені резистор R_K і навантаження підсилювача R_H. Вона дорівнює спаду напруги на цьому колі при проходженні по ньому струму генератора.

Так як R_К<<r_K то . Тому можна прийняти, що струм, який проходить по паралельно включених елементах кола R_К і R_H, дорівнює струму генератора струму. У такому випадку амплітуду вихідної напруги розраховують по формулі

Амплітуду вхідної напруги U_вх.m можна виразити через амплітуду змінної складової струму бази І_Бm і вхідний опір транзистора h_11E:

Знаходимо коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі K_U:

(11.6)

При R_H K_u= що збігається з формулою (11.2).

Із співвідношення (11.6) бачимо, що для одержання високого коефіцієнта підсилення каскаду по напрузі необхідно встановлювати транзистор з досить великим коефіцієнтом передачі струму і резистор по можливості великого опору.

Якщо необхідно враховувати вплив частоти сигналу на параметри підсилювача, то на низьких частотах варто брати до уваги опори конденсаторів C_p1, С_р2, С_бл, а на високих частотах — реактивні опори, обумовлені наявністю міжелектродних ємностей і ємності монтажу.

Розрахунок підсилювача напруги на транзисторі КТ312В. Для підсилювача задаються: амплітуда вихідної напруги U_вих.m=1В, опір навантаження підсилювача R_H=0,4 кOм, нижня частота підсилюваного сигналу f_H=200 Гц.

Звернемося до вихідних характеристик транзистора (див. рис. 11.7, а). Напруга насичення u_Kнас=2В, максимальна колекторна напруга u_Kmax=20B. Вибираємо напругу джерела живлення Е_К=12В. З врахуванням (11.5) вибираємо 2В+1ВU_KC12В-1В. Установлюємо U_KC=6B.

Знаходимо амплітуду струму в навантаженні: I_H.m= мА. На підставі (11.5) вибираємо I_KC=1,5I_Нm=1,52,5=4мА. Розраховуємо опір резистора в колі колектора: кОм. Знаходимо опір змінному струму в колі колектора:

кОм

Н а сімействі вихідних характеристик транзистора відзначаємо точку спокою С, який відповідають струм І_КС=4 мА і напруга U_KC=6 В. Будуємо навантажувальні прямі по постійному і змінному струмах.

Рис. 11.7. Транзистор КТ312В в підсилювальному каскаді:

а, б — вихідні і вхідні характеристики; в — схема підсилювача

По вихідних характеристиках транзистора знаходимо струм спокою бази 1_БС=0,03 мА, а по вхідний характеристиці транзистора (рис. 11.7, б) встановлюємо відповідну цьому струму напругу зсуву U_БЕС0,69 В.

Нехай R₂=3 кОм, розраховуємо струм у резисторі R2 в режимі спокою: 1_2С=U_БС/R2=0,69/3103 0,23 мА. Визначаємо опір резистора R1:

кОм.

На схемі підсилювача (рис. 11.7, в) вказуємо струми в колах його елементів і потенціали точок щодо загального проводу в режимі спокою.

Для обчислення вхідного опору підсилювача необхідно знати вхідний опір транзистора h_11Е, а для оцінки коефіцієнта підсилення каскаду також коефіцієнт передачі струму h_21E. Якщо визначати параметр h_11Е по вхідній характеристиці транзистора, то одержимо його значення порядку 0,9 кOм. Тоді

кОм.

Як правило, h_21E=50—280. Підставляючи ці значення в (11.6), записуємо

Результат одержуємо дуже наближений. Точні розрахунки можна зробити, якщо вимірити параметри h_11Е і h_21E на випробувачі транзисторів при напрузі U_KC=6 В і струмі І_КС=4 мА.

Оцінимо ємності розділових конденсаторів:

мкФ;

мкФ

Ємності конденсаторів великі, тому бажано використовувати електролітичні конденсатори. Для згладжування пульсацій напруги на затисках джерела живлення встановлюється блокувальний конденсатор С_бл, що є елементом фільтра нижніх частот. Ємність його повинна складати не менш 10 мкф.