Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

3.6.Влияние ОС на нелинейные искажения, помехи

идинамический диапазон

Можно показать, что при наличии ООС уменьшение помех на выходе усилителя определяется:

Но так как ООС одинаково ослабляет и помеху и сигнал, то отношение Uc/Uп - не изменится. Введение ООС позволяет уменьшить нелинейные искажения. Физически это объясняется тем, что гармонические составляющие по цепи ОС попадают на вход в противофазе. Это значит, что при том же самом сигнале на входе уровень гармонических составляющих на выходе определяется:

Это очень важно для усилительных устройств многоканальной связи. Глубина F может составлять 60 – 70 дБ. Снижение уровня помех и повышение линейности способствует расширению динамического диапазона

D UВЫХ max UВХ max

UВЫХ min UВХ min

в пределах линейного участка амплитудной характери-

стики (UВЫХ = f (UВХ)).

Так как напряжение помехи (как и сигнала) с выхода усилителя поступает на вход по цепи обратной связи в противофазе с основным сигналом (и помехой), то в результате произойдет ослабление помехи (при этом соотношение сигнал/помеха не изменится!)

3.7. Устойчивость усилителей с ОС. Критерии устойчивости. Запасы устойчивости

Как видно из гибридной схемы (рис.8-6) усилитель и цепь ОС составляют замкнутое кольцо, которое принято называть петлей обратной связи.

Для замкнутой цепи ОС, как было уже показано, имеются количественные характеристики величины обратной связи

Для количественной оценки характеристик петли обратной связи применяются показатели:

- коэффициент петлевого усиления KП Ku

- и величина возвратного отношения T KП .

При этом глубина ООС:

F 1 KП 1 T

Величина возвратного отношения Т – комплексная величина, характеризуется модулем Т и аргументом Т - фазой обратной связи.

Модуль глубины ОС F определяется через Т и Т (рис.3- 19):

F 1 T ej T 1 2T cos T T2 .

рис.3-19

При F = 1 получаем величину возвратного отношения

T= - 2 cos T, зависимость которого от частоты имеет вид окружности с единичным радиусом:

1) любой вектор из начала координат, лежащий на окружности относится к нейтральной ОС (вектор 1), которая влияет лишь на фазу выходного напряжения;

2) при F 1 T - 2 cos T , т.е. векторы находятся внутри окружности, не соприкасаясь с ней. Это положительная ОС – векторы 2,3;

3)если вектор оказывается вне круга, то ОС - отрицательная (векторы 4,5,6);

4)отдельный случай – расположение векторов на оси

вещественных значений Т (при Т = 180 и Т = 0 ):

-при Т = 180 и Т 1, вектор внутри круга – положительная ОС (вектор 3);

-при Т = 180 и Т 1, то усилитель неустойчив, самовозбуждается, превращаясь в генератор (вектор 5);

-при Т = 0 - отрицательная ОС (вектор 6). Критерий Найквиста: в соответствии с ним усилитель с ОС устойчив, если (рис.3-20) годограф вектора возврат-

ного отношения T(jf) не охватывает точки с координатами (-1,0) в области изменения частоты от 0 до .

рис.3-20

Годограф - кривая, по которой проходит конец вектора Т при изменении частоты от 0 до .

На рис. 3-21 показан годограф возвратной разности неустойчивого усилителя. Однако, если уменьшить коэффициент усиления, то Т(f) уменьшится и неустойчивый усилитель станет устойчивым (пунктир.)

рис.3-21

Условно устойчивый усилитель (рис.3-22): при перегрузках усилителя (сигналом или помехой) критическая точка (-1,0)

может оказаться внутри годографа – наблюдается самовозбуждение (потеря устойчивости).

рис.3-22

Чтобы не допустить потери устойчивости делают автоматическую регулировку, изменяя годограф (см. пунктир на рис.3-22).

Запасы устойчивости (рис.3-23): для обеспечения

рис.3-23

устойчивости с запасом, который необходим из-за разброса и непостоянства параметров усилителей и их зависимости от температуры, от изменения напряжения источников питания, от времени и т.д., годограф должен проходить на некотором удалении от точки (-1,0); т.е. должны быть запасы по X - по модулю Т (в децибелах) и Y - по аргументу φ: это связано с тем, что фазовый сдвиг является зависимым от соотношений активных и реактивных цепей (L и C на ВЧ (выводы, паразитные ёмкости); на НЧ - это блокировочные ёмкости в цепях питания и т.д.).

Годограф вектора Т(jf) должен находится вне области PQRS (рис.3-23): при этом рекомендуемые значения запаса по модулю порядка Х= 9 дБ и по аргументу Y = 1/6 = πy = π/6 = 30˚.

Ниже приведены основные меры по обеспечению устойчивости.

1.Нужны меры по снижению коэффициента петлево-

го усиления KП Ku на частотах, где фаза обратной

связи φ достигает 1800.

Для этого нужно уменьшить число каскадов, охваченных ОС, или охватывать ОС каскады, дающие малые фазовые сдвиги (резисторные).

2. Если есть трансформатор на выходе усилителя, то ОС надо снимать с первичной обмотки, если на входе – то подавать ОС во вторичную обмотку.

При этом будут минимальные сдвиги фазы.

3. Если в усилителе много каскадов с ОС – то желательно общую петлю ОС разделять на несколько.

4. Можно применять корректирующие цепочки, уменьшающих сдвиг фазы петли ОС. Например (рис.3- 24):

рис.3-24

Rн Сн снижает коэффициент усиления на НЧ и отодвигает фазовый сдвиг в область очень НЧ, устраняя неустойчивость на рабочей частоте.

RвСв аналогично действует в области ВЧ. Их необязательно применять вместе.

Выводы по теме

1.Влияние ОС на коэффициенты усиления не зависит от способа получения ОС, а определяется только способом введения ОС на вход усилителя.

2.При последовательной ОС сигнал ОС вводится последовательно с напряжением источника сигнала. При этом ток входной цепи, а значит и усиление по току не меняется; происходит сложение напряжений (сигнала и ОС). Если ОС отрицательна, то сигнал ОС вычитается из напряжения источника сигнала и усиление по напряжению уменьшается. При ПОС, соответственно, усиление по напряжению увеличивается.

3.При параллельной ОС сигнал ОС вводится параллельно с напряжением источника сигнала. При этом напряжение на входе и, соответственно, коэффициент усиления по напряжению не меняются. Так как при этом вычитаются токи сигнала и ООС, то уменьшается коэффициент усиления по току. При ПОС, наоборот, усиление по току увеличится.

4. При комбинированной по входу ОС составляющая последовательной ОС влияет только на коэффициент усиления по напряжению, а составляющая параллельной ОС – только на коэффициент усиления по току. При ООС – все коэффициенты, соответственно, уменьшаются, а при ПОС

–увеличиваются.

5.Сквозной коэффициент усиления при любом способе введения ОС уменьшается.

6.ООС расширяет полосу пропускания усилителя, делая его АЧХ более равномерной, а ФЧХ – более линейной. Повышается стабильность коэффициента усиления. Снижается уровень помех и уровень нелинейных искажений (при неизменности соотношения Uc/Uп).

7. Выходное сопротивление усилителя при отрицательной обратной связи по напряжению уменьшается, а при отрицательной обратной связи по току – увеличивается.

8. Входное сопротивление усилителя при параллельной отрицательной обратной связи уменьшается, а при последовательной – увеличивается.

9. Устойчивость усилителя можно определять по критерию Найквиста - в соответствии с ним усилитель с ОС устойчив, если годограф вектора возвратного отношения T(jf) не охватывает точки с координатами (-1,0) в области изменения частоты от 0 до .

Задания и вопросы для самоконтроля по теме

1.Что такое «обратная связь» и для чего она используется в усилительных устройствах?

2.Назовите виды обратной связи;

3.Приведите пример реализации ООС параллельной по напряжению;

4.Приведите пример реализации ООС последовательной по току;

5.Приведите пример реализации ООС последовательной по напряжению;

6.Приведите пример реализации ООС параллельной по току;

7.Как влияет последовательная ООС на коэффициенты усиления?

8.Как влияет параллельная ООС на коэффициенты усиления?

9.Как влияет комбинированная ООС на коэффициенты усиления?

10.Как влияет последовательная ООС на входное сопротивление?

11.Как влияет параллельная ООС на входное сопротивление?

12.Как влияет комбинированная ООС на входное сопро-

тивление?

13. Как влияет ООС по току на выходное сопротивление?

14.Как влияет ООС по напряжению на выходное сопротивление?

15.Как влияет комбинированная ООС на выходное сопротивление?

16.Приведите формулу Блекмана и пример ее применения;

17.Как влияет ООС на стабильность усиления? Приведите примеры.

18.Как влияет ООС на АЧХ и ФЧХ усилителя?

19.Как влияет ООС величину помех и нелинейные искажения?

20.Приведите примеры схем применения частотнозависимой ОС;

21.Как с помощью критерия Найквиста определить устойчивость усилителя?

22.Назовите основные меры по обеспечению устойчивости усилителя.

Лекция 5

Тема: усилители на биполярных и полевых транзисторах

5.1. Основные свойства транзисторов, включенных по схемам с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором

Рассмотрим указанные схемы по таким показателям, как коэффициенты передачи по току, напряжению, мощности и способности инвертировать входной сигнал.

5.1.1. Основные свойства транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Для схемы с общим эмиттером (рис.5-1) входной ток Iвх Iб ; выходной ток Iвых Iк;

рис.5-1

1) Коэффициент передачи по току:

Kiоэ Iвых Iк h21э » 1

Iвх Iб

2) Коэффициент передачи по напряжению