8.2.3 Обратные связи в усилителе

Обратная связь - это подача части выходного сигнала усилителя на его вход. Обратные связи в усилителе вводятся для коррекции характеристик и улучшения параметров. Структурная схема усилителя с обратной связью приведена на рисунке 8.3а.

Способы получения и введения сигнала обратной связи могут быть различными и, в связи с этим, обратные связи классифицируют следующим образом. Если входной сигнал и сигнал обратной связи находятся в фазе, то такую обратную связь называют положительной (ПОС), если в противофазе, то – отрицательной – (ООС).

В зависимости от способа получения сигнала ОС различают обратную связь по напряжению (рисунок 8.3б и рисунок 8.3в), когда снимаемый сигнал пропорционален напряжению и обратную связь по току (рисунок8.3г; рисунок 8.3д), когда снимаемый сигнал пропорционален току выходной цепи. По способу введения во входную цепь сигнала ОС различают: последовательную схему введения (рисунок 8.3б; рисунок 8.3г), когда напряжение сигнала ОС суммируется с входным напряжением; параллельную схему введения сигнала ОС (рисунок 8.3в; рисунок 8.3д), когда ток цепи ОС суммируется с током входного сигнала.

а б

в г д

Рисунок 8.3 - Типы обратных связей

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется соотношением

К называют петлевым коэффициентом усиления . При ООС К < 0, а при ПОС - К > 0. При К = 1 К_ос   и усилитель самовозбуждается. Для усилителей такой режим работы не допустим. Если К  , то К_ос = 1/. Из этого следует, что стабильность усилителя возрастет, так как К_ос не зависит от К и определяется только значением . Цепь обратной связи реализуется с помощью пассивных элементов стабильность которых гораздо выше стабильности К. В зависимости от типа обратной связи ее влияние на параметры усилителя различно. Так например, для последовательной обратной связи по напряжению входное сопротивление увеличивается, а выходное – уменьшается.

8.2.4 Усилительный каскад с общим эмиттером

В связи с тем, что усилительный каскад с общим эмиттером осуществляет усиление как по току, так и по напряжению и имеет достаточно большое входное сопротивление, он получил наибольшее распространение. Схема усилительного каскада приведена на рисунок 8.4а.

а б

а - принципиальная схема; б - построение выходного сигнала.

Рисунок 8.4 - Усилительный каскад с общим эмиттером

Назначение элементов: транзистор VТ - нелинейный управляемый элемент; емкости C₁ и C₂ - служат для подачи входного сигнала на усилитель и снятия сигнала и, кроме того, обеспечивают "развязку" источника входного сигнала, нагрузки и источника питания усилителя по постоянному току. Под "развязкой" понимается исключение протекания постоянного тока источника питания через источник сигнала (С₁) и через нагрузку (С₂). Резисторы R₁ и R₂ предназначены для задания рабочей точки во входной цепи, а резистор R_к - в выходной цепи.

Для обеспечения минимальных нелинейных искажений положение рабочей точки на характеристиках необходимо задать на линейных участках (точка O' и О рисунок 8.4б, в). В схеме (рисунок 8.4а) резисторы R₁ и R2,включенные между +U_n и -U_n (общая шина), образуют делитель напряжения питания. Напряжение на R₂ должно быть равно U_бп и задает положение точки O' на входной характеристике.

Для определения положения рабочей точки на выходных характеристиках необходимо решить задачу нахождения токов и напряжений при последовательном соединении линейного элемента (R_к) и нелинейного - (VТ). Задача решается графоаналитическим методом. На выходных характеристиках в масштабе графика строится прямая для R_к. Построение осуществляется по двум точкам: режим холостого хода - точка С (U = U_n; I = 0) и режим короткого замыкания - точка D (U = 0; I = U_n/R_к) (рисунок 8.4в). Точка О пересечения нагрузочной прямой DC с выходной характеристикой транзистора, соответствующей I_бп, дает решение задачи (U_кп, I_кп). Данное построение проведено для случая, когда входного переменного сигнала нет (U_вх = 0). Так как через конденсатор С2 постоянный ток не протекает, то выходное напряжение также равно нулю (U_вых = 0). Рассмотренное состояние схемы называют режимом работы по постоянному току или режимом покоя.

Для анализа работы в режиме усиления гармонического сигнала необходимо учесть следующее: сопротивление разделительных конденсаторов на рабочей частоте мало и можно считать, что

1/С₁  0 и 1/С₂  0,

Кроме того, в источнике питания усилителя присутствует емкость сглаживающего фильтра гораздо большей величины чем С₁ и С₂, т.е. можно считать, что для переменной составляющей источник питания представляет короткое замыкание. В связи с этим, для переменной составляющей нагрузочное сопротивление будет представлять параллельное соединение R_н и R_к и равно

R^'_н = R_н R_к /(R_к + R_н)

Нагрузочная прямая по переменному току будет проходить через рабочую точку О под углом  равным

 = arctg(1/R'_н)К_m

где К_m = m_I/m_U  - масштабный коэффициент;

m_I - масштаб по оси токов;

m_U - масштаб по оси напряжений.

На рисунке 8.4в нагрузочная прямая представлена пунктирной линией A'OB'.

Если от источника сигнала на базу транзистора поступает синусоидальное напряжение с амплитудой U'_mвх, то базовый ток будет изменяться от I_бп до I_б2 при положительной полуволне и от I_бп до I_б1, при отрицательной (рисунок 8.4б). При этом на выходных характеристиках положение рабочей точки будет изменяться от точки 0 до точки A' при I_б = I_б2 и от точки 0 до точки В' при I_б = I_б1. Таким образом, при гармоническом входном сигнале рабочая точка на входной характеристике перемещается от точки 0'' до точки 0''' относительно 0', а на выходных характеристиках - между А' и В' относительно точки 0. Так как для работы выбраны линейные участки характеристики, то форма базового и коллекторного тока будет повторять форму входного сигнала. В связи с тем, что напряжение на коллекторе транзистора определяется соотношением,

U_к = U_n – I_к R_к, (3.67)

оно будет находиться в противофазе с входным сигналом.

В рассмотренной схеме усилителя рабочая точка транзистора задается с помощью делителя напряжения, т.е. задается напряжение U_бп. Такой способ называется задание рабочей точки фиксированным напряжением на базе. Сопротивления делителя определяются из очевидных соотношений (рисунок 8.4а):

(3.68)

U_бп, I_бп определяются с помощью входной характеристики (рисунок 8.4б). Выбор величины тока делителя осуществляется из следующих соображений. Чем больше Ig, тем стабильнее работает каскад, так как изменение токов Iк и Iэ, а значит и тока базы Iб = I_к – I_э , незначительно влияют на величину напряжения смещений. В то же время I_g не следует выбирать очень большим, так как это снижает КПД каскада и уменьшает входное сопротивление усилителя. Уменьшение входного сопротивления связано с тем, что резисторы R₁ и R₂ для входного сигнала (по переменной составляющей) включены параллельно входному сопротивлению транзистора. Общее сопротивление R₁ и R₂ равно

R_б = R₁ R₂/(R₁ + R₂)

R_б должно быть значительно больше R_вхт и составлять несколько килоом, так как иначе делитель зашунтирует транзистор и общее входное сопротивление каскада, равное

R_вхк = R_вхт R_б/(R_вхт + R_б),

окажется недопустимо малым. Практически ток делителя выбирают в пределах

I_g = (2  5)I_бо

а б в

а - фиксированным напряжением на базе; б - фиксированным током базы;

в - входная характеристика.

Рисунок 8.5 - Способы задания рабочей точки транзистора

Другим распространенным способом задания рабочей точки является фиксация I_бп. Схема такого каскада приведена на рисунке 8.5б. Величина сопротивления резистора R₁ определяется из соотношения:

R₁ = (U_n – U_бп)/I_бп. (3.72)

Так как U_n > U_бп, то I_бп  U_n/R₁, т.е. является величиной постоянной.