Лабораторна робота № 6 Негативний зворотний зв’язок в однокаскадному підсилювачі

Мета лабораторної роботи: вивчення способів охоплення однокаскадного підсилювача негативним зворотним зв’язком, а також теоретичний розрахунок та експериментальне дослідження його впливу на амплітудно- та фазочастотну характеристики підсилювального каскаду

План виконання лабораторної роботи

6.1 Короткі теоретичні положення

6.2 Підготовка до лабораторної роботи

6.3 Послідовність розрахунку параметрів схеми

6.4 Робоче завдання

6.1 Короткі теоретичні положення

Зворотним називається зв’язок, за рахунок якого відбувається передача частини енергії (напруги або струму) з вихідного кола підсилювача у вхідне коло. . У підсилювачах зворотний зв’язок використовується для зменшення нелінійних спотворень і підвищення стабільності підсилювальних властивостей та режиму роботи підсилювальних елементів.

Рисунок 6.1

На рис. 6.1 дана структурна схема системи із зворотним зв’язком. Коло прямої передачі сигналу і коло зворотного зв’язку утворюють петлю зворотного зв’язку. В суматорі  відбувається підсумовування сигналів (напруг або струмів), що надходять з джерела сигналу та з виходу підсилювача з коефіцієнтом К₀ через коло зворотного зв’язку з коефіцієнтом β. Якщо фази цих сигналів співпадають, то спільний їх рівень становиться вище, ніж рівень початкового сигналу на виході суматора  та на виході підсилювача, такий зв’язок називають позитивним зворотним зв’язком. Якщо фази цих сигналів протилежні і сигнали на виході суматора віднімаються, то такий зворотний зв’язок називають негативним зворотним зв’язком. В подальшому мова буде йти тільки про негативний зворотний зв’язок.

Залежно від способу одержання сигналу зворотного зв’язку /сигнал на виході кола зворотного зв’язку (U_зз, I_зз)/розрізняють зворотний зв’язок за струмом — сигнал зворотного зв’язку пропорційний струму навантаження: Х_зз=βR_ззI_н (рис. 6.2а), і за напругою — сигнал зворотного зв’язку пропорційний напрузі на виході підсилювача Х_зз=βU_н (рис. 6.2б)

Рисунок 6.2а Рисунок 6.2б

За способом подавання сигналу зворотного зв’язку на вхід підсилювача розрізняють такі його види: послідовний (вхідний сигнал і сигнал зворотного зв’язку вмикаються послідовно, рис. 6.3а) і паралельний (вхідний сигнал і сигнал зворотного зв’язку вмикаються паралельно, рис. 6.3б).

Рисунок 6.3а Рисунок 6.3б

У разі послідовного зворотного зв’язку на вході підсилювача відбувається віднімання вхідної напруги і напруги зворотного зв’язку, а при паралельному – віднімання вхідного струму і струму зворотного зв’язку.

Зворотний зв’язок називається частотно-незалежним, якщо властивості кола зворотного зв’язку не залежать від частоти, зокрема, якщо вони виконані на резисторах або являє собою подільник напруги, складений з однотипних елементів, наприклад резисторів або конденсаторів.

Одним із найважливіших показників підсилювачів із зворотним зв’язком є його глибина F₀, яка визначається як відношення коефіцієнта підсилення підсилювача при вимиканні зворотного зв’язку К₀ до коефіцієнта підсилення підсилювача при діючомуі зворотному зв’язку К_зз , тобто

F₀=K₀ /K_зз,

де K_зз=K₀ / (1 + K₀ β);

звідки F₀=1 + K₀ β;

β – коефіцієнт передачі кола зворотного зв’язку (не плутати з коефіцієнтом підсилення за струмом транзистора),

β=

сигнал на виході кола зворотного зв’язку________________________

сигнал на вході кола зворотного зв’язку (вихідний сигнал підсилювача)

До показників підсилювача із зворотним зв’язком належить також коефіцієнт петльового підсилення K_п = K₀ β =F₀ - 1

і фаза петльового підсилення, яка являє собою аргумент комплексного петльового підсилення φ = arctg (Ќ β ).

Зворотний зв’язок впливає на всі параметри підсилювача: вхідний і вихідний опори, нелінійні спотворення сигналу.

У однокаскадному підсилювачі, побудованому за схемою із спільним емітером СЕ, можливі два види зворотного зв’язку: паралельний за напругою (рис. 6.4) і послідовний заструмом (рис. 6.5)

Рисунок 6.4 Рисунок 6.5

Для дослідження впливу зворотного зв’язку на параметри та на амплітудно-частотну характеристику підсилювача СЕ пропонується використати схему , що наведена на рис. 6.6.

Каскад підсилювача за схемою рис.6.6 є варіантом підсилювача з місцевим послідовним негативним зворотним зв’язком за струмом (як за постійним, так і змінним).

Негативний зворотний зв'язок за постійним сигналом в підсилювачах використовується для підвищення температурної стабільності режиму за постійним струмом. . Негативний зворотний зв'язок за змінним сигналом в підсилювачах використовується зазвичай для розширення діапазону частот підсилювача, стабілізації коєфіцієнта підсилення та для певної зміни вхідного та/або вихідного опору (імпедансу).

В схемі рис.6.6 негативний зворотний зв'язок послідовний за постійним струмом забезпечується послідовно з’єднаними резисторами , оскільки постійний струм емітера , який через них протікає, створює постійну напругу , яка є напругою зворотного зв’язку.

Рисунок 6.6 - Схема каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером з місцевим негативним зворотним зв’язком

Негативний зворотний зв'язок за змінним струмом забезпечується тільки резистором : за умови, що реактивний опір конденсатора в області середніх частот набагато менший опору резистора (конденсатор «шунтує» резистор ), змінна складова струму емітера створює між точкою нульового потенціалу та емітером змінну напругу зворотного зв’язку .

Якщо верхній полюс конденсатора з’єднати з емітером транзистора , негативний зворотний зв'язок за змінним струмом відсутній, оскільки конденсатор «шунтує» послідовно з’єднані резистори . Як наслідок змінна складова струму емітера створює між точкою нульового потенціалу та емітером нульову змінну напругу зворотного зв’язку: .

За допомогою подільника напруги (резистори , ) задається (фіксується) постійна напруга на базі транзистора .

Якщо виконується умова , або (що практично теж саме ), то постійна напруга визначається формулою:

. (6.1)

Постійна напруга на емітері визначається формулою:

, (6.2)

де - постійна напруга на переході база-емітер (в інженерних розрахунках для кремнієвих транзисторів зазвичай приймається 0,7 В).

Постійний стум емітера визначається формулою:

. (6.3)

Враховуючи, що (де h_21e - статичний коефіцієнт передачі струму транзистора за схемою включення із СЕ), постійна напруга на ланці колектор-емітері визначається формулою:

. (6.4)

Головними параметрами каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі СЕ з місцевим негативним зворотним зв’язком в діапазоні частот є:

- коефіцієнт підсилення в області середніх частот ;

- вхідний опір в області середніх частот ;

- вихідний опір в області середніх частот ;

- частота зрізу в області верхніх частот ;

- частота зрізу в області нижніх частот .

Негативний зворотний зв'язок зменшує коефіцієнт підсилення в області середніх частот відповідно до формули:

, (6.5)

де - коефіцієнт підсилення в області середніх частот підсилювача, який охоплюється негативним зворотним зв’язком (коефіцієнт підсилення підсилювача без зворотного зв’язку); - коефіцієнт передачі кола зворотного зв’язку.

Для підсилювача за схемою зі СЕ без зворотного зв’язку за змінним сигналом (тобто за умови, що верхній полюс конденсатора з’єднаний з емітером транзистора ) коефіцієнт підсилення в області середніх частот визначається формулою:

. (6.6)

де - об’ємний опір бази; - диференційний опір переходу база-емітер транзистора за схемою зі СЕ, значення якого визначається формулою

( - диференційний опір переходу база-емітер; В-тепловий потенціал при температурі оточуючого повітря Т=300К; - постійний струм емітера); - диференційний коефіцієнт передачі струму транзистора за схемою зі СЕ; - опір паралельно з’єднаних резисторів ; - крутизна транзистора, значення якої визначається формулою .

Для підсилювача за схемою зі СЕ зі зворотним зв’язком за змінним сигналом (тобто за умови, що конденсатор підключений так, як показано на рис.6.1) коефіцієнт підсилення в області середніх частот визначається формулою:

. (6.7)

В (6.7) знаменник приблизно відповідає знаменнику в (6.5), тобто .

Вхідний опір підсилювача в області середніх частот визначається формулою:

, (6.8)

тобто послідовний негативний зворотний зв’язок збільшує вхідний опір підсилювача.

Вихідний опір підсилювача в області середніх частот визначається формулою:

, (6.9)

де - вихідна напруга в режимі холостого ходу, тобто вихідна напруга за умови, що ; - вихідний струм в режимі короткого замикання, тобто вихідний струм за умови, що .

Частота зрізу в області верхніх частот (за умови, що вихідний опір джерела змінної вхідної напруги =0) визначається формулою:

, (6.10)

де ; .

Це означає, негативний зворотний зв'язок збільшує частоту зрізу підсилювача в області верхніх частот в раз.

Частота зрізу в області нижніх частот , зумовлена тільки конденсатором , визначається формулою:

, (6.11)

де = .

Частота зрізу в області нижніх частот , зумовлена тільки конденсатором , визначається формулою:

, (6.12)

де = .

Частота зрізу в області нижніх частот , зумовлена тільки конденсатором , визначається формулою:

, (6.13)

де = .