книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

от вида и способа подачи отрицательной обратной связи можно уве­ личить (уменьшить) входное сопротивление и уменьшить (увеличить) выходное сопротивление, что в ряде случаев улучшает параметры усилителя в целом.

Все возможные частотно-зависимые и частотно-независимые обрат­ ные связи могут быть сведены к двум видам: обратной связи по напряжению и обратной связи по току.

На рис. 56, а приведена упрощенная схема однокаскадного тран­ зисторного усилителя. При подаче на вход усилителя положитель­ ного импульса на выходе появляется усиленный импульс отрица­ тельной полярности. Поэтому, если вход (базу) транзистора соединить с выходом усилителя (коллектором транзистора), возникнет отрица­ тельная обратная связь (ООС) по напряжению (рис. 56, б). Сопро-

130

тпвление, включенное в цепь эмиттера, является сопротивлением отрицательной обратной связи (рис. 56, в), поскольку падение напря­ жения на нем включено встречно с напряжением входного сигнала. В результате этого управляющее напряжение, действующее между базой и эмиттером, является разностным

йу=ивх-и0..

и коэффициент усиления уменьшается. В однокаскадном усилителе наиболее просто можно осуществить ООС. Для положительной обратной связи необходимо изменить фазу выходного напряжения на 180° (например, с помощью трансформатора).

В двухкаскадном усилителе (рис. 56, г) можно получить как отри­ цательную, так и положительную обратные связи (ПОС). Положи­ тельная связь возникает при замыкании входа с выходом или при соединении сопротивлений в цепях эмиттеров. В трехкаскадном уси­ лителе легко получить как положительные, так и отрицательные обратные связи (рис. 56, д). В результате соединения входа с выходом возникает ООС, так как входное и выходное напряжения противофазны. При соединении эмиттеров первого и третьего транзисторов наблюдается ООС, а подача напряжения с выхода в цепь эмиттера первого транзистора вызывает ПОС.

В общем случае, если число каскадов усилителя нечетно, при соединении входа с выходом возникает ООС (если разделительносогласующие элементы между каскадами не создают существенного дополнительного фазового сдвига). При четном числе каскадов связь выхода со входом будет положительной; связь между эмиттерами ближайших каскадов является также положительной. Если соедпляются эмиттерные цепи чередующихся каскадов (1—3, 2—4, 1—5, 3—5 и т. д.), то связь отрицательна.

Введение в усилитель обратной связи приводит к необходимости исследовать его устойчивость, определять степень склонности к воз­ никновению генерации. Абсолютно устойчивым считается тот усили­ тель, в котором невозможна генерация. С этой точки зрения абсо­ лютно устойчивым является усилитель без обратных связей. В любом

Существует несколько различных способов оценки устойчивости усилителей с обратной связью: критерии Рауса — Гурвица, Найквиста, Михайлова и т. д. В основе этих способов лежит аналитическое или графоаналитическое исследование корней характеристического уравнения усилителя с обратной связью. Если действительные части всех корней отрицательны, то усилитель устойчив, так как любые колебания, возникающие в усилителе, обязательно затухнут.

Если хотя бы один из корней имеет положительную действительную часть, в усилителе возможны автоколебания.

В любом усилителе помимо специально введенных обратных связей с известными характеристиками всегда имеются паразитные обратные связи, которые могут привести к самовозбуждению. Эти связи могут быть емкостными, индуктивными, вызываться гальвани­ ческими связями за счет общего источника питания или обусловли­ ваться несовершенством изоляции входных и выходных цепей. Пара­ зитная обратная связь может быть сведена к минимуму при рацио­ нальном монтаже, применении электростатических и магнитных экра­ нов, использовании высококачественных изоляционных материалов, источников питания с малым внутренним сопротивлением и т. д.

В общем случае на входе усилителя имеется пассивное звено (трансформатор, фильтр или делитель напряжения), позволяющее оптимально согласовать источник сигнала со входным усилительным каскадом, чтобы создать такие условия работы, при которых от источ­ ника сигнала отбирается максимальная мощность или передается максимальное напряжение, причем нормальный режим работы источ­ ника сигнала не нарушается и его параметры существенно не изме­ няются.

Схема входного усилительного каскада выбирается в зависимости от типа усилителя, характера и величины сигнала и параметров источ­ ника сигнала. Основным требованием, которому должен удовлетво­ рять входной усилительный каскад, является обеспечение максималь­ ного линейного усиления при минимальном уровне собственных шумов. Кроме того, часто требуется, чтобы входное сопротивление усилительного каскада было максимальным в заданной полосе про­ пускания и минимальном уровне собственных шумов. В ряде случаев входной усилительный каскад должен отвечать некоторым условиям симметрии, так как входное напряжение может вводиться как симмет­ рично, так и несимметрично относительно корпуса («земли») прибора.

Усилители обычно выполняются многокаскадными: за входным каскадом следует один или несколько основных усилительных кас­ кадов, усиливающих сигнал до необходимой величины. При согласо­ вании выхода одного усилительного каскада со входом следующего за ним каскада используются согласующие звенья. В качестве согла­ сующего пассивного звена могут быть использованы: трансформа­ тор, фильтр, делитель напряжения и т. д.

Для согласования усилителя с его нагрузкой на выходе часто ставится оконечный усилительный каскад. Оконечный каскад рас­ считывается на отдачу иногда весьма большой мощности, в отличие от предыдущих усилительных каскадов, работающих в режиме уси­ ления напряжения или тока.

Для стабилизации коэффициента усиления, расширения полосы пропускания, уменьшения нелинейных искажений в усилителях обычно применяются обратные связи, охватывающие не только от­ дельные каскады, но и весь усилитель в целом.

132

§ 52. Апериодические усилительные каскады

Апериодические усилители применяются для усиления сигналов, главная часть спектра которых сосредоточена: 1) в области очень низких частот (усилители постоянных и медленно меняющихся на­ пряжений); 2) в области звуковых и инфразвуковых частот; 3) в ши­ рокой области частот — от долей герца до сотен мегагерц (широко­ полосные усилители).

Рис. 57.

Отличительной особенностью апериодических усилителей яв­ ляется то, что сопротивление анодных или коллекторных нагрузок zH всех каскадов носит апериодический (нерезонансный) характер. Нагрузка может представлять собой резистор, трансформатор, катушку индуктивности, параллельное соединение резисторов и кон­ денсаторов и т. д.

Принципиальные схемы всех трех типов апериодических усили­ телей отличаются друг от друга лишь видом связи между отдельными каскадами. Если в усилителях постоянного и медленно меняющегося напряжения пассивные согласующие звенья состоят, как правило, из резисторов, обеспечивающих путь постоянному току, то в усили­ телях напряжения звуковых частот и широкополосных усилителях гальваническая связь обычно отсутствует и согласующие звенья

133

составляются из реактивных элементов, не пропускающих постоян­ ный ток.

Наиболее существенно в апериодических усилителях различных типов отличаются входные и выходные каскады. Основные усили­ тельные каскады отличаются лишь видом междукаскадной связи и режимом работы. Это позволяет пользоваться единой методикой расчета основных усилительных каскадов для всех трех типов усили­ телей, а входные и выходные каскады и пассивные согласующие звенья рассматривать для каждого отдельного случая.

Основные усилительные каскады работают с достаточно боль­ шими сигналами, вследствие чего можно не считаться с собственными шумами пассивных и активных элементов. В то же время сигналы еще не настолько велики (десятые доли—единицы вольт), чтобы учитывать нелинейные искажения. Важнейшим требованием к ос­ новным усилительным каскадам является обеспечение максимально возможного устойчивого усиления в заданной полосе частот при

к а д о в . Любое линейное усилительное устройство может быть пред­ ставлено в виде эквивалентного ему четырехполюсника (рис. 57, а).

Усилительные свойства четырехполюсника определяются соотно­ шениями между входным и выходным напряжениями и входным и выходными токами. В общем случае может быть записано шесть пар

Наличие входных, выходных и проходных емкостей в электрон­ ных приборах и зависимость коэффициента усиления от частоты при-

134

водят к тому, что z, у и h параметры зависят от частоты и являются комплексными. Однако в области звуковых частот в большинстве случаев параметры можно считать действительными и независимыми от частоты. Для анализа усилительных схем на биполярных транзи­ сторах наиболее удобны h параметры.

Биполярный транзистор, отображаемый h параметрами, имеет

усиления транзистора по току. Анализ усилительных схем на элек­

удобную для анализа схему, представленную на рис. 57, е. В этой

У электронной лампы, биполярного и полевого транзисторов имеются три основных элемента: эмиттер (катод, исток); база (упра­ вляющая сетка, затвор), коллектор (анод, сток). Поэтому каждый из этих приборов можно включить в электрическую цепь шестью раз­ личными способами. Однако усилительные свойства проявляются только в том случае, если входной сигнал действует между базой (управляющей сеткой, затвором) и эмиттером (катодом и стоком). Вследствие этого практический интерес представляют лишь три схемы включения.

Первая схема (рис. 58, а) называется схемой с общим эмиттером (катодом, истоком) и применяется в тех случаях, когда необходимо получить максимальное усиление по току, напряжению и мощности.

Вторая схема (рис. 58, б) — повторитель, или каскад с эмиттерной (катодной, истоковой) нагрузкой. При таком включении коэффи­ циент усиления по напряжению меньше единицы, хотя по току коэффициент усиления может быть весьма велик. Повторитель имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления, что позволяет использовать его для согласования различных радиоэлектронных цепей.

Третья схема (рис. 58, в) — каскад с общей базой (управляющей сеткой, затвором), применяется в основном на высоких частотах

135

В рассматриваемых схемах выходное напряжение (падение напря­ жения на сопротивлении нагрузки) может сниматься непосредственно между общей точкой схемы и коллектором (анодом, истоком), по­ скольку внутреннее сопротивление источника питания для частоты усиливаемого сигнала обычно весьма мало — единицы—доли ома.

Поэтому усиление неизбежно сопровождается искажениями формы сигнала, которые в каждом конкретном случае могут быть сведены к минимуму путем подбора режима работы. Принято различать режимы работы электронной лампы: А, АВ, В, С.

Рис. 58.

Под режимом класса А понимается линейный режим, в котором при заданных изменениях напряжения управляющего сигнала работа

случае, если на управляющую сетку подается постоянное отрица­ тельное напряжение Есм, соответствующее примерно середине линей­ ного участка анодно-сеточной характеристики.

Напряжение Есы принято называть напряжением смещения, а точку 0 — рабочей точкой. Режим класса А энергетически невыго­ ден, так как при отсутствии сигнала через электронную лампу про­ текает ток Iо — ток покоя, величина которого может быть велика. Поэтому режим класса А применяется в сравнительно маломощных усилителях. В мощных усилителях используются менее линейные, но энергетически выгодные режимы — АВ, В, С, в которых ток покоя весьма мал.

Для работы электронной лампы в усилительном режиме необ­ ходимо:

1. На анод подать положительное (относительно катода) напря­ жение и при этом должен быть обеспечен путь для постоянного тока в цепи минус батареи анодного питания — катод — анод •— плюс батареи анодного питания.

2. Подать напряжение смещения и обеспечить путь для ионной составляющей сеточного тока в цепи управляющая сетка — катод.

136

Схема включения электронной лампы (триода) в электрическую

эквивалентная схема каскада может быть существенно упрощена. При этом усилительные свойства лампы могут отображаться или

так как напряжения на управляющей сетке UBX и на аноде (7В Ы Х сдвинуты по фазе. Если сопротивление анодной нагрузки выполнено в виде резистора, а влиянием межэлектродных емкостей можно пре­ небречь, то коэффициент усиления — величина действительная, но нри этом выходное напряжение сдвинуто по фазе относительно входного на 180°

137

На основании анализа эквивалентной схемы (рис. 59, в) имеем

В области низких частот входное сопротивление определяется резистором R и является величиной действительной (если влиянием разделительного конденсатора С можно пренебречь)

Расчет усилительного каскада, выполненного по схеме рис. 59, а, при работе в линейном режиме может быть полностью проведен на основании рассмотренных эквивалентных схем по следующей мето­

138

При этом желательно, чтобы Ra ^ (2 ~-3) Я;.

Если влиянием паразитных емкостей пренебречь нельзя, то при­ ходится выбирать величину сопротивления анодной нагрузки, исходя из условия обеспечения заданной зависимости коэффициента усиле­ ния от частоты.

Обычно задается величина уменьшения (неравномерности) коэф­ фициента усиления в области верхних частот

Если допустимо уменьшение коэффициента усиления на некото­ рой верхней частоте сов по сравнению с нулевой частотой (или неко­

и С2 приводит к тому, что коэффициент усиления с понижением частоты уменьшается. В зависимости от величины допустимой нерав­ номерности коэффициента усиления (по сравнению с некоторой сред­ ней частотой) Я н ч , сопротивлений резисторов в анодной и сеточной цепях и нижней частоты минимальная емкость конденсаторов опре­ деляется как

139