2)Усилительный каскад с общей базой:

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора.

Достоинствами схемы являются стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы(коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды.

Недостатками схемы являются малое входное сопротивление и отсутствие усиления по току.

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]

• Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов (для мощных - ещё меньше), так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

• Хорошие температурные и частотные свойства.

• Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой :

• Малое усиление по току, так как α < 1

• Малое входное сопротивление

• Два разных источника напряжения для питания.

• Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора – самый простейший

Подобные усилители широко применяются для увеличения уровня сигнала GPS, GSM, WiFi и др. систем связи и беспроводного интернета. В качестве примера подобных усилителей можно назвать усилители радиочастоты фирмы MAXIM, VISHAY или RF Micro Devices.

3)Нч фильтр на базе операционного уселителя

Широкое применение в измерительной технике находят так называемые активные фильтры на базе ОУ. Термин «активный» объясняется включением в схему RC-фильтра активного элемента – в данном случае ОУ. Смысл такого включения заключается в компенсации потерь на пассивных элементах фильтра с целью получения высокой равномерности коэффициента передачи в полосе пропускания и большой крутизны спада передаточной характеристики. Теория активных фильтров в настоящее время хорошо разработана, методика их расчетов доведена до таблиц и номограмм. Основная задача при этом сводится к аппроксимации передаточной характеристики полиномами Чебышева, Бесселя и др. Выбор коэффициентов этих полиномов, а, следовательно, и параметров элементов схемы фильтра, обеспечивает наилучшее в том или ином смысле приближение к желаемым амплитудно-частотным характеристикам.

В качестве примера на рисунке 73 приведен двухполюсный (по числу конденсаторов) фильтр нижних частот (пропускает на выход сигнал  в диапазоне частот от нуля до частоты среза).

Билет № 21

1)Положительная \ отрицательная обратная связь

-Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления каскадов, но уменьшает устойчивость работы усилителя и неблагоприятно сказывается на ряде важнейших параметров. -Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления каскадов, но одновременно значительно улучшает другие важнейшие параметры и характеристики усилителя, что и обусловливает ее широкое применение.

- к уселения

Отрицательная:

В зависимости от способа получения сигнала обратной связи на выходе усилителя она может быть по напряжению и по току. Структурная схема отрицательной обратной связи по напряжению приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по напряжению

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению можно определить по следующей формуле:

Напряжение обратной связи в схемах отрицательной обратной связи по току выделяется на сопротивлении обратной связи, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по току

Отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току можно определить по следующей формуле:

По входу отрицательная обратная связь может быть последовательной и параллельной. Структурная схема параллельной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 4. На этом рисунке не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Рисунок 4. Структурная схема усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью

Параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Следующий вид обратной связи, который мы рассмотрим, это последовательная отрицательная обратная связь. Структурная схема последовательной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 5. На этом рисунке, также как на предыдущем, не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Рисунок 5. Структурная схема усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью

Последовательная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Влияние обратной связи на коэффициент усиления

Определим коэффициент усиления усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению при помощи четырехполюсника с коэффициентом передачи (рис. 2.4). Предположим, что напряжение совпадает по фазе с напряжением обратной связи , т. е. обратная связь является положительной. Тогда можно записать

Разделив левую и правую части уравнения (2.1) на , будем иметь

Так как коэффициент усиления усилителя без обратной связи; — коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью; — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи, то уравнение (2.2) можно записать следующим образом:

Выделяя из уравнения (2.3) параметр , после несложных преобразований, получим

Если напряжение обратной связи подается на вход усилителя в противофазе, т. е. обратная связь является отрицательной, то после аналогичных рассуждений, учитывая, что , будем иметь

Величина определяет глубину обратной связи и показывает, во сколько раз изменяется коэффициент усиления усилителя под влиянием обратной связи.

При глубокой отрицательной обратной связи, когда выполняется неравенство , коэффициент усиления определяется только параметрами четырехполюсника обратной связи

Определим коэффициент усиления усилителя, охваченного последовательной обратной связью по току (рис. 2.5).

Простейшая и наиболее распространенная цепь обратной связи представлена в этом случае резистором .

Записав условие алгебраического сложения напряжений во входной цепи при отрицательной последовательной обратной связи

и разделив обе части выражения (2.7) на , получим

Рис. 2.5.

Рис. 2.6.

Эквивалентная ЭДС Е в выходной цепи усилителя может быть выражена через напряжения и следующим образом:

где

Тогда выражения (2.8) с учетом того, что , будет иметь вид

Выражая из уравнения (2.11), получим

Учитывая, что и полагая , после преобразований выражений (2.12) будем иметь

где .

При положительной последовательной обратной связи по току формула (2.13) сохраняет свой вид, изменяется лишь знак в знаменателе выражения, т. е.

Усилитель с параллельной обратной связью по напряжению можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 2.6), где напряжение обратной связи, пропорциональное , создается с помощью резистора на сопротивлении , зашунтированным сопротивлением усилителя, т. е. коэффициент передачи цепи обратной связи определяется выражением

где - параллельное включение сопротивления .

Полагая, что обратная связь является отрицательной, запишем условие алгебраического сложения токов во входной цепи

где

Подставляя значения и 1 в выражение (2.15), будем иметь

Выразив сопротивления в виде проводимостей , получим .

Записав , после преобразований, получим

где

В усилителях напряжения, когда выполняются условия , формулу (2.17) можно записать как

При глубокой отрицательной обратной связи, когда выполняется условие формула (2.17) принимает вид

т. е. коэффициент усиления не зависит от параметров усилителя без обратной связи и нагрузки. Для исключения влияния внутреннего сопротивления генератора входного сигнала последовательно включают резистор . В этом случае

При положительной обратной связи, когда во входной цепи усилителя выполняется соотношение после аналогичных для вывода формулы (2.1) преобразований и подстановок получим

Параллельная обратная связь по току применяется обычно в измерительных усилителях тока, поэтому ее удобно анализировать с помощью эквивалентной схемы (рис. 2.7), где во входной и выходной цепях действует генератор тока. Определим коэффициент усиления по току усилителя, охваченного отрицательной обратной связью. Для усилителей тока, работающих от источников тока, можно пренебречь шунтирующим влиянием и , т. е. . Поэтому выходной ток равен

где — коэффициент усиления по току усилителя без обратной связи

коэффициент передачи по току четырехполюсника обратной связи.

Рис. 2.7.

Выражая из уравнения (2.22), получим

При положительной обратной связи, учитывая, что , после аналогичных преобразований получим

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с параллельной обратной связью по току можно записать следующим образом:

Так как коэффициент усиления по напряжению без обратной связи равен

то после несложных преобразований

где .

В формулах (2.25), (2.26) знак плюс соответствует отрицательной обратной связи, а минус — положительной.

Таким образом, выражение для коэффициента усиления по напряжению усилителя при введении любого вида обратной связи можно записать с помощью единой формулы

где — коэффициент, характеризующий глубину обратной связи. Его величина различна для каждого из рассмотренных видов обратной связи, так как величина определяется видом обратной связи.

Все виды отрицательной обратной связи уменьшают коэффициент усиления, а положительной увеличивают. Казалось бы, что более предпочтительной является положительная обратная связь. Однако в усилителях с положительной обратной связью появляется опасность возникновения нежелательной генерации колебаний, так как при усилитель становится генератором, т. е. на выходе схемы появляются незатухающие колебания. Поэтому положительная обратная связь в схемах усилителей применяется редко, в основном для построения различного рода генераторов.

Отрицательная обратная связь по напряжению оказывает стабилизирующее действие на коэффициент усиления , который может произвольно меняться при старении или смене транзисторов, колебаниях питающего напряжения, изменениях температуры и влажности окружающей среды и т. д.

Допустим, что коэффициент усиления по напряжению изменился по каким-либо причинам на . Тогда относительное изменение коэффициента усиления равно

т. е. стабильность коэффициента усиления по напряжению при введении отрицательной обратной связи по напряжению увеличивается в раз.

При отрицательной обратной связи по току коэффициент сильно зависит от нагрузки [см. формулы (2.13) и (2.25)] и в этом случае стабилизируется не выходное напряжение, а выходной ток. Иначе говоря, уменьшается относительное изменение крутизны проходной характеристики усилителя при последовательной обратной связи по току и коэффициента усиления по току при параллельной.

Действительно, крутизна характеристики

Разделив числитель и знаменатель выражения (2.29) на U, после некоторых преобразований, получим

где крутизна характеристики без обратной связи .

Тогда относительное изменение крутизны под воздействием внешних факторов равно

т. е. стабильность крутизны при введении последовательной обратной связи по току увеличивается в раз.

Как следует из формулы (2.23), относительное изменение коэффициента усиления по току при введении отрицательной параллельной обратной связи по току уменьшается в ) раз, так как

Стабилизирующее свойство отрицательной обратной связи сказывается на линейных и нелинейных искажениях сигнала усилителя.

В общем случае, когда учитывается влияние реактивных элементов схемы на частотную характеристику усилителя (границы полосы пропускания), величины, входящие в формулы (2.4) и (2.5), являются комплексными, т. е. на границах полосы пропускания усилителя будем иметь

где — угол сдвига фаз между напряжениями; — угол сдвига фаз между напряжениями .

При положительной обратной связи

При отрицательной обратной связи

Поскольку отрицательная обратная связь препятствует изменению коэффициента усиления, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики однокаскадного усилителя с отрицательной обратной связью идут ровнее, полоса пропускания становится шире (рис. 2.8).

Рис. 2.8.

Граничные частоты однокаскадного усилителя с отрицательной обратной связью определяются из формул

В многокаскадных усилителях условие (2.35) обычно выполняется лишь в середине полосы пропускания. Поэтому на частотах, близких к граничным, отрицательная обратная связь может переходить в положительную и частотная характеристика будет иметь два подъема в области граничных частот (рис. 2.9).

Рис. 2.9.

Если в многокаскадном усилителе увеличивать общую отрицательную обратную связь, то одновременно будет увеличиваться и общая положительная обратная связь на краях частотного диапазона, что приведет к росту пиков на частотной характеристике, а затем и к возникновению генерации при

В однокаскадном усилителе отрицательную обратную связь теоретически можно сколь угодно увеличивать, не опасаясь возникновения генерации из-за положительной обратной связи на краях диапазона рабочих частот. В двухкаскадном усилителе при некотором значении коэффициента F возможно возникновение генерации (самовозбуждение усилителя). С увеличением числа каскадов генерация возникает при меньшем значении .

При нелинейных искажениях паразитные высшие гармоники, имеющиеся в выходном сигнале, поступают на вход усилителя в фазе, противоположной их начальным значениям, и появляются на выходе усилителя уже ослабленными в F раз.

Конечно, во столько же раз окажется ослабленным и полезный сигнал, однако, его можно увеличить за счет повышения коэффициента усиления предыдущих каскадов, работающих без нелинейных искажений.

Определим максимально допустимый входной сигнал в усилителе с отрицательной обратной связью, ограниченный заданными нелинейными искажениями.

При последовательной обратной связи имеем

Следовательно,

где — максимальное напряжение на входе усилителя без обратной связи, при котором появляются недопустимые нелинейные искажения.

Учитывая (2.38), можно записать, что коэффициент гармоник усилителя с отрицательной обратной связью

в F раз меньше коэффициента гармоник усилителя без обратной связи [см. формулу (1.7)].