Литература / (тоже супер) физосновы для экз

На эквивалентной схеме усилительного каскада (см. рис. 4.20) Rвх представляет собой входное сопротивление следующего каскада.

Как видно из рисунка 4.20, выходное напряжение

или после несложных преобразований

Так как в усилителях емкость C0 во много раз меньше

емкости Cс, то в формуле (4.35а) членом C0Rвх по сравне-

Cс

нию с Rвх можно пренебречь. С учетом этого выходное напряжение

Учитывая, что Rвн = Rвых, выражение для коэффициента усиления по напряжению каскада усилителя с резистивно-емкостной связью можно записать в виде

постоянные времени усилительного каскада на верхних и нижних частотах.

Из выражения (4.36) нетрудно получить модуль коэффициента усиления по напряжению усилительного каскада

и аргумент, представляющий собой угол сдвига фаз между выходным и входным напряжениями:

Из полученных выражений видно, что коэффициент усиления каскада зависит от частоты. Наибольшие значения коэффициент усиления имеет в области средних ча-

емкости C0 и Сc, входящие в выражения для постоянных времени τв и τн, не оказывают влияния на коэффициент

которая называется квазирезонансной частотой усилителя.

В области низких частот 1/(ωнτн) ωвτв, поэтому для определения коэффициента усиления Kн можно воспользоваться формулой

Из этой формулы видно, что на коэффициент усиления сильное влияние оказывает емкость конденсатора связи C0, входящая в выражение для постоянной времени τн. С уменьшением частоты сопротивление конденсатора связи xCс = 1/(ωCс ) возрастает, падение напряжения на нем увеличивается, выходное напряжение уменьшается, что приводит к снижению коэффициента усиления Kн.

В области верхних частот ωвτв 1/(ωнτн) и выражение для коэффициента усиления Kв имеет вид

Это означает, что на коэффициент усиления оказывает влияние емкость C0, входящая в выражение для постоянной времени τв. Сопротивление емкостного элемента C0 xC0 = 1/(ωС0 ) на нижних частотах много больше Rвх, поэтому оно не влияет на величину выходного напряжения. На верхних частотах сопротивление xC0 становится соизмеримым с сопротивлением Rвх. С ростом частоты сопротивление xC0 уменьшается, шунтирует сопротивление Rвх, поэтому выходное выражение, а следовательно, и коэффициент усиления Kв снижаются. Конденсатор связи Cс на верхних частотах не оказывает влияния на коэффициент усиления, так как его сопротивление

xCс мало.

Для оценки свойств усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью на разных частотах пользуются амплитудно-частотными KU(ω) и фазочастотными ϕ(ω) характеристиками. Эти характеристики для транзисторного усилителя с резистивно-емкостной связью приведены на рисунке 4.21.

Рис. 4.21

Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью

При очень низких частотах (ωн → 0) коэффициент усиления усилителя Kн → 0, так как сопротивление конденса-

тора связи xCс = 1/(ωнCс ) → ∞.

При очень высоких частотах (ωв → ∞) коэффициент усиления усилителя Kв → 0, так как сопротивление емкостного элемента xC0 = 1/(ωвC0 ) → 0.

Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот (рис. 4.21а) называют частотными искажениями. Это название обусловлено тем, что при усилении несинусоидального напряжения отдельные составляющие его усиливаются по-разному из-за неравномерной частотной характеристики, вследствие чего форма кривой усиливаемого напряжения искажается.

Частотные искажения оценивают коэффициентами частотных искажений, которые равны:

Обычно для усилителей напряжения с резистивноемкостной связью допустимый коэффициент частотных искажений лежит в пределах 1,05–1,5. Очень часто допустимое значение частотных искажений принимают равным 2. Это соответствует частотам, при которых 1/(ωнτн) и ωвτв становятся равными единице. Частоты ωн.гр и ωв.гр, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называют нижней и верхней гра-

424 Р А З Д Е Л 4

ничными частотами, а диапазон частот, в котором коэффициенты частотных искажений не превышают допустимых значений, т. е. f = fв.гр – fн.гр, — полосой пропускания

усилителя.

Фазо-частотная характеристика (см. рис. 4.21б) показывает, что в области низких частот выходное напряжение опережает по фазе входное напряжение, а в области верхних частот оно отстает по фазе от входного. В предельных случаях ω → 0 и ω → ∞ угол сдвига фаз стремится соответственно к π/2 и –π/2.

Рассмотренные выражения справедливы при неизменных параметрах транзистора.

Однако коэффициент передачи тока β = h21 на высоких частотах уменьшается в 2 раз на некоторой предельной частоте fβ. Это не сказывается на частотных характеристиках усилителя, если в пределах полосы пропускания значение h21 остается постоянным, т. е. если предельная частота fβ значительно больше верхней граничной частоты усилителя fв.гр.

При соизмеримых величинах fβ и fв.гр на высоких частотах увеличивается спад коэффициента усиления и угол сдвига фаз между выходными и входными напряжениями (пунктирные кривые на рисунке 4.21). Это необходимо учитывать при выборе типа транзистора и определения полосы пропускания. При fβ fв. гр полоса пропускания на высоких частотах ограничена предельной частотой fβ транзистора и не зависит от параметров элементов усилителя.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных

Отсюда следует, что коэффициенты частотных искажений и углы сдвига фаз между выходными и входными напряжениями многокаскадного усилителя возрастают с увеличением числа каскадов:

Следовательно, полоса пропускания усилителя с увеличением числа каскадов уменьшается.

Многокаскадные усилители переменного напряжения с резистивно-емкостной связью часто выполняют на основе интегральных микросхем. Для получения таких усилителей используют интегральные микросхемы серий К122, К123, К140, К173, К224, К237, К242 и др. Так, например, интегральные микросхемы серии К123 позволяют создавать многокаскадные усилители низкой частоты с полосой пропускания 200 Гц — 100 КГц и коэффициентом усиления 30–500.

Следует иметь в виду, что в интегральных микросхемах отсутствуют конденсаторы связи, так как конденсаторы большой емкости трудно выполнять в интегральном исполнении, поэтому помимо входных и выходных выводов, выводов для подключения источников питания микросхемы снабжают выводами для подключения конденсаторов связи.

На рисунке 4.22 показана схема усилителя с резистивно-емкостной связью на интегральной микросхеме типа К2УБ241. Схема содержит 3 транзистора и 9 резисторов и представляет собой трехкаскадный уси-

Рис. 4.22

Схема усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью на интегральной микросхеме типа К2УБ241

литель на транзисторах n-p-n-типа. Каждый транзистор включен в усилительный каскад по схеме с общим эмиттером. Рабочая точка в режиме покоя, т. е. величины тока Iбо и напряжения Uбо, обеспечивается в первых двух каскадах делителями R1R2 и R5R6, а в третьем каскаде — соотношением сопротивлений R7 и R10.

Сопротивления коллекторных резисторов R3, R7 и R9 определяют положение линии нагрузки на коллекторных характеристиках.

Резисторы R4, R8 и R10 осуществляют температурную стабилизацию усилительных каскадов и создают отрицательную обратную связь, уменьшающую коэффициент усиления. Как видно из схемы рисунка 4.22, параллельно резисторам R4, R8 и R10 не включены конденсаторы, устраняющие отрицательную обратную связь, так как емкость их должна быть значительной, а получение таких конденсаторов в интегральных схемах затруднительно. В то же время наличие отрицательной обратной связи, как будет показано далее, повышает стабильность коэффициента усиления, что является важной характеристикой многокаскадных усилителей.

Для связи первого и второго каскадов в рассматриваемом усилителе использован разделительный конденсатор C2. При необходимости вместо трех можно применить два каскада, для чего предусмотрен вывод 7. Интегральная микросхема типа К2УБ241 может обеспечивать значительное усиление напряжения в диапазоне частот 25 Гц — 6,5 МГц.

4.2.2. Обратные связи в усилителях

Под обратной связью в усилителях понимают воздействие электрической цепи усилителя, при котором часть выходного сигнала подается на вход усилителя.

На рисунке 4.23 изображена структурная схема усилителя с обратной связью.

Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают за счет паразитных емкостей, внутренних сопротивлений источников питания и т. д. Такие обратные связи называют паразитными.

Если при наличии обратной связи входной сигнал uвх складывается с сигналом обратной связи uос, в результате чего в усилитель поступает увеличенный сигнал u1, то такую обратную связь называют

положительной.

Если после введения обратной связи сигналы u1 на входе и uвых на выходе усилителя уменьшаются, что обусловлено вычитанием сигнала обратной связи из входного сигнала uвх, то такую обратную связь называют отрицательной.

Обратные связи подразделяют на обратные связи по напряжению и по току. При обратной связи по напряжению uос = βuвых, где β — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. При обратной связи по току uос = Rосiвых, где Rос — взаимное сопротивление выходной цепи и цепи обратной связи. Наконец, различают последовательные обратные связи, когда цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями усилителя, и параллельные обратные связи, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

На рисунке 4.24 приведены структурная и электрическая схемы усилителей с отрицательной обратной связью по напряжению. Цепью обратной связи здесь служит четырехполюсник обратной связи (R1R2), коэффициент передачи которого β = R2/(R1 + R2). Отрицательный характер обратной связи обеспечивается подачей напряжения

Рис. 4.24

Структурная (а) и принципиальные (б, в) схемы усилителей с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению

обратной связи uос на инвертирующий вход усилителя (вход 9 интегральной микросхемы — вход однокаскадного усилителя с общим эмиттером). Последовательный характер обратной связи очевиден из рисунка 4.24б.

В случае применения интегральной микросхемы (см. рис. 4.24в) последовательный характер обратной связи обеспечивается подачей входного напряжения на неинвертирующий вход 10 и напряжения обратной связи на инвертирующий вход 9.

Рассмотрим влияние отрицательной обратной связи по напряжению на коэффициент усиления усилителя. При отрицательной обратной связи по напряжению для входной цепи усилителя (см. рис. 4.24а) можно составить уравнение

которое с учетом равенства uос = βuвых можно переписать в виде

Для усилителя без обратной связи uвх = u1, поэтому коэффициент усиления такого усилителя

K = Uвых/U1. (4.47)

Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью

Из этой формулы следует, что отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления усилителя в (1 + βK) раз.

Аналогично можно определить коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью:

Как видно из выражения (4.50), положительная обратная связь повышает коэффициент усиления усилителя. Однако положительную обратную связь в электронных усилителях практически не применяют, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффициента усиления значительно ухудшается.

Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь широко используют в усилителях. В результате введения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя, а именно:

а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзистора;

б) снижается уровень нелинейных искажений; в) увеличивается входное и уменьшается выходное со-

противления усилителя.

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью следует определить его абсолютное и относительное изменения.

Абсолютное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью

где K — абсолютное изменение коэффициента усиления усилителя без обратной связи.

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью

Отсюда видно, что всякое изменение коэффициента усиления усилителя ослабляется действием отрицательной обратной связи в (1 + βK) раз.

Если принять βK 1, что соответствует глубокой отрицательной обратной связи, то