Литература / (тоже супер) физосновы для экз

Это выражение свидетельствует о том, что при глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления усилителя Kос почти не зависит от коэффициента усиления K и его значение определяется только коэффициентом передачи четырехполюсника обратной связи β.

Аналогично можно показать, что в случае положительной обратной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается:

Отрицательная обратная связь всегда уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Это можно объяснить следующим образом. В усилителе без обратной связи при высоком входном напряжении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении, помимо основной, появляются высшие гармоники, искажающие форму выходного напряжения. При введении отрицательной обратной связи напряжения этих гармоник через цепь обратной связи подаются на вход усилителя и вычитаются из выходного напряжения усилителя, так как благодаря отрицательной обратной связи они будут поступать в противофазе с напряжением гармоник, появляющихся вследствие нелинейных искажений усилителя. Таким образом, величина гармоник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а следовательно, искажения усиливаемого напряжения в усилителе с отрицательной обратной связью будут меньше.

Как отмечалось, введение последовательной отрицательной обратной связи по напряжению увеличивает входное сопротивление. Входное сопротивление усилителя с отрицательной обратной связью можно определить, составив уравнение с учетом выражения (4.46) и равенств u1 = Rвхiвх, uвх = Rвх.осiвх. Принимая во внимание также, что uвых = Ku1 = Kосuвх, уравнение (4.46) можно записать в виде

где Rвх.ос, Rвх — соответственно входные сопротивления усилителя с обратной связью и без обратной связи; iвх — входной ток усилителя.

Таким образом, входное сопротивление усилителя за счет отрицательной обратной связи увеличивается в (1 + βK) раз:

Нетрудно получить выражение для выходного сопротивления усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению:

из которого видно, что отрицательная обратная связь уменьшает выходное сопротивление в (1 + βK) раз.

На рисунке 4.25 приведены схемы усилителей с последовательной отрицательной обратной связью по току. Как видно из рисунка, взаимное сопротивление Rос = R1,

так что uос = R1iвых = Rосiвых.

Такая обратная связь возникает только при наличии выходного тока, т. е. при работе усилителя с подключенным нагрузочным резистором.

Отрицательная обратная связь по току увеличивает входное и выходное сопротивления усилителя и не изменяет его коэффициента усиления по напряжению в режиме холостого хода KUхх , но за счет возрастания выходного сопротивления снижает выходной ток.

На рисунке 4.26 приведена схема усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Такой усилитель при R1 Rвх и R2 Rвых имеет:

Рис. 4.25

Структурная (а) и принципиальная (б) схемы усилителей с последовательной отрицательной обратной связью по току

1)коэффициент передачи

β≈ R1/R2;

2)входное сопротивление

который при глубокой отрицательной обратной связи равен:

Вывод выражений (4.58)–(4.60) проводят также,какдляусилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению.

До сих пор рассматривались обратные связи, создаваемые в

усилителях специально. Кроме того, имеются паразитные обратные связи, существенно ухудшающие работу усилителей.

Существует несколько видов паразитных обратных связей:

1)связь между каскадами через цепи питания;

2)емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

3) индуктивная (магнитная) связь, возникающая при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

При слабой паразитной положительной обратной связи ухудшение работы усилителя выражается в увеличении частотных и нелинейных искажений. При сильной паразитной положительной обратной связи усилитель может самовозбудиться, т. е. в отсутствие входного напряжения на его выходе может появиться переменное выходное напряжение.

Наиболее серьезной паразитной обратной связью является связь между каскадами через цепи питания. Такая связь обычно имеет место в многокаскадном усилителе, который питается от одного источника питания.

Через внутреннее сопротивление источника питания проходят токи всех каскадов усилителя. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении заметное падение напряжения от переменной составляющей тока, которое попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, образует нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения подобных обратных связей применяют развязывающие Г-образные RC-фильтры. Иногда первые каскады питают от отдельного выпрямителя.

Емкостные и индуктивные обратные связи возникают из-за нерационального монтажа, когда в многокаскадном усилителе выходные цепи расположены вдоль входных цепей, что приводит к возникновению емкости и взаимной индуктивности между элементами входной и выходной цепей. Такие обратные связи устраняют в основном рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя (индуктивные катушки, трансформаторы, соединительные провода и входные цепи помещают в специальные экраны). Отметим, что устранение паразитных обратных связей затруднительно и требует большого практического опыта.

4.3. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Часто при измерениях неэлектрических величин необходимо усиливать сигналы очень низких частот, порядка долей герца. Для этого требуются усилители, одинаково усиливающие напряжения всех частот, вплоть до самых низких.

Усилители, имеющие равномерную частотную характеристику до самых низких частот, называют усилителями постоянного тока (УПТ). Так как в многокаскадных УПТ для связи между каскадами не могут быть использованы реактивные элементы связи (конденсаторы, трансформаторы), в них, как правило, применяют резисторы. На рисунке 4.27 приведены для сравнения частотные характеристики УПТ (кривая 1) и усилителя с резистивноемкостной связью (кривая 2).

Рис. 4.27

Частотные

характеристики УПТ и усилителя с резистивноемкостной связью

В области низких и средних частот частотная характеристика УПТ равномерна. В области высоких частот фазовые сдвиги и частотные искажения в УПТ появляются на тех частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости, так же как и в усилителях с резистивно-емкостной связью. Однако в УПТ возникают специфические трудности, связанные с отделением полезного выходного сигнала от постоянных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзисторов.

Как и в усилителях с резистивно-емкостной связью, характеристики УПТ должны удовлетворять ряду требований:

1) в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать ток в нагрузочном устройстве;

2)при изменении направления входного сигнала должен изменять направление ток нагрузочного устройства;

3)ток (или напряжение) нагрузочного устройства должен быть пропорциональным входному сигналу.

Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других усилителях, выполняются при работе на линейных участках характеристик транзисторов. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих напряжения

итока транзистора.

ВУПТ отделение постоянных составляющих напряжения, как правило, осуществляется компенсационным методом. Такие усилители можно условно разделить на

усилители с одним и двумя источниками питания.

ВУПТ отделение постоянных составляющих напряжения, как правило, осуществляется компенсационным методом. Такие усилители можно условно разделить на

усилители с одним и двумя источниками питания.

4.3.1. УПТ с одним источником питания

Схемы УПТ с одним источником питания приведены на рисунках 4.28–4.30. Там же показаны потенциальные диаграммы. Простейший УПТ с одним источником питания (рис. 4.28а) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме

ОЭ с жесткой температурной стабилизацией (T, R′, R′′,

б б

Rэ, Rк) (на рисунке он выделен штриховкой). В этом усилительном каскаде отсутствует только конденсатор в цепи

а б

Рис. 4.28

Схема (а) и потенциальная диаграмма (б) УПТ с одним источником питания на биполярном транзисторе

Рис. 4.29

Схема (а) и потенциальная диаграмма (б) УПТ с одним источником питания на стабилитронах

а

Рис. 4.30

Схема (а) и потенциальная диаграмма (б) УПТ с одним источником питания на биполярных транзисторах с различными типами электропроводности

эмиттера Cэ, что хотя и приводит к снижению коэффициента усиления вследствие возникновения отрицательной обратной связи по току на резисторе Rэ, но зато обеспечивает равномерное усиление на всех частотах, начиная от самых низких.

В отличие от усилителей с резистивно-емкостной связью в рассматриваемом УПТ нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R3R4, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R1R2. Соотношения сопротивлений делителей таковы, что в отсутствие входного сигнала (uвх = 0) ϕб = ϕ1, ϕк = ϕ2 ток во входной цепи iвх = 0 и ток нагрузочного резистора iн = 0.

Для точной подстройки режима делитель R3R4 выполнен на двух постоянных и одном переменном резисторе, позволяющем плавно изменять в некоторых пределах потенциал ϕ2.

При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяется базовый и коллекторные токи транзистора, что приводит к изменению коллекторного напряжения транзистора и возникновению тока нагрузочного резистора. Потенциальная диаграмма УПТ (см. рис. 4.28б) показывает, что при uвх = 0 в интервале 0 ≤ t < t1 выходное напряжение uвых = 0, при uвх < 0 в интервале t1 < t < t2 выходное напряжение uвых > 0 и при uвх > 0

винтервале t > t2 выходное напряжение uвых < 0.

ВУПТ с одним источником питания вместо усилительного каскада с общим эмиттером можно применять эмиттерный повторитель, а также усилительный каскад на полевом транзисторе. Способы включения нагрузочного резистора и подачи входного сигнала при этом не изменяются.

На рисунке 4.29а, б приведена схема и потенциальная диаграмма УПТ со стабилитронами во входной цепи и в цепи связи, на которых выделяется компенсирующее напряжение. Стабилитроны выбраны таким образом, что их напряжения стабилизации Uст1 и Uст2 компенсируют постоянные напряжения в цепи базы и коллектора транзи-

стора T1.

При подаче отрицательного входного сигнала в момент времени t1 потенциал ϕб1 транзистора T1 понижается, потенциал ϕк1 транзистора T1 повышается и настолько же повышается потенциал базы ϕб2 транзистора T2. Соединение коллектора транзистора T2 с нагрузочным резистором на схеме рисунка 4.29а не показано, так как его можно осуществить так же, как в схеме рисунка 4.28а.

На рисунке 4.30а, б приведены схема и потенциальная диаграмма двухкаскадного УПТ на транзисторах различных типов: типа n-p-n (транзистор T1) и типа p-n-p (транзистор T2). Входная цепь и схема соединения с нагрузочным резистором не показаны, поскольку они аналогичны схеме рисунка 4.28а. В схеме рисунка 4.30а по-

казано непосредственное соединение коллектора транзистора T1 и базы транзистора T2, что возможно благодаря наличию во втором каскаде транзистора типа p-n-p, у которого эмиттер через резистор R6 подключен к источнику питания Eк. При этом падение напряжения на резисторе R6, необходимое для хорошей температурной стабилизации, приблизительно равно Eк/3, что согласуется с падением напряжения на резисторе R4, которое при выборе рабочей точки транзистора T1 в середине линейного участка переходной характеристики тоже приблизительно равно Eк/3.

В этом типе УПТ могут быть применены также полевые транзисторы с каналами n- и p-типов.

Рассмотренные схемы УПТ с одним источником питания обладают рядом недостатков. Во-первых, нагрузочный резистор в них включается между электродом транзистора и средней точкой делителя и не может быть соединен с общей точкой, имеющей нулевой потенциал. Между тем соединение с общей точкой необходимо во многих многокаскадных электронных усилителях. Вовторых, источник, создающий входное напряжение uвх (см. рис. 4.28а), тоже не соединен с общей точкой. Применение же стабилитронов (см. рис. 4.29а) требует их подбора по напряжению стабилизации и индивидуальной подстройки УПТ.

4.3.2. УПТ с двумя источниками питания

Указанных недостатков лишены усилители с двумя источниками питания. На рисунке 4.31 приведены схема и потенциальная диаграмма однокаскадного усилителя с двумя источниками питания. В этой схеме источники питания +E1 и E2 создают положительное и отрицательное напряжения относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал.

Схему рассчитывают таким образом, что в отсутствие входного сигнала (uвх = 0) потенциал базы ϕб = 0 и потенциал эмиттера ϕэ ≈ –0,5 В. Потенциалы других точек транзистора (относительно общей точки) зависят от напряжения источников питания и показаны на схеме для E1 = 20 В

Рис. 4.31

Схема (а) и потенциальная диаграмма (б) УПТ с двумя источниками питания

и E2 = 15 В. К делителю R3R4 в отсутствие входного сигна-

ла приложено напряжение UR3 + UR4 = ϕк − (−E2 ) = ϕк + E2, при этом потенциал средней точки делителя должен быть

равным нулю, так как в подобном режиме выходное напряжение отсутствует. Тогда падение напряжения на плечах делителя соответственно равны UR3 = ϕк и UR4 = E2. Чтобы ток делителя R3R4 не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше тока коллектора:

Сопротивления резисторов делителя могут быть определены из соотношений

При подаче входного сигнала (на диаграмме напряжение uвх положительно) увеличивается ток базы транзистора, что приводит к увеличению тока коллектора. При этом возрастает падение напряжения на резисторе R1 и понижается потенциал коллектора ϕк. Понижение потенциала «верхнего» вывода делителя R3R4 приводит к понижению потенциала средней точки и появлению отрицательного выходного напряжения. Таким образом, делитель, вклю-