Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Основные понятия, обратные связи, работа усилительного элемента в схеме. Учебное пособие
.pdf
g
g
g
g
g
R
Параметр
Окончание табл. 4.2
Схема включения
ОЭ ОБ ОК
R
вх
R
вых
1
11
1
22
1
g
21 11
11
gg
22 1 11
1
(1 )hR
g
11
121 11
21 2
gg
111
()
gg
На основе этих выражений можно сделать выводы о сравнитель-
ных свойствах БТ в различных схемах включения.
1. Схема ОЭ инвертирует входной сигнал (вносит частотно-
независимый фазовый сдвиг, равный 180°), а две другие – нет.
2. Схема ОК не усиливает напряжение при любом сопротивлении
источника сигнала. Наибольшим сквозным коэффициентом передачи
по напряжению обладает схема
с ОЭ.
3. Схема ОБ не усиливает ток, схемы ОЭ и ОК имеют практически
одинаковое усиление по этому параметру, который значительно превышает единицу.
4. Наибольший коэффициент усиления по мощности имеет схема
ОЭ. Это ее основное достоинство, которое обусловливает и наибольшее ее распространение.
5. Схема ОК имеет наиболее высокое, а схема
ОБ− наиболее низкое входное сопротивление. Этот недостаток во многом ограничивает
область применения схемы ОБ.
6. Самым низким выходным сопротивлением обладает схема ОК, а
самым высоким – схема ОБ. Низкое выходное и высокое входное сопротивления являются основным достоинством схемы ОК.
7. Входные сопротивления схем ОЭ и ОК в области верхних частот
емкостный характер:
носят
1/Z
вх
1
jC
вх вх
51
, (4.18)
KK
где для схемы ОЭ
CCK
, (4.19)
вх к
r
б
а для ОК
(1 )CKCK
Кажущееся увеличение коллекторной емкости
. (4.20)
вх.кккк
r
б
С
в схеме ОЭ в
к
K раз, наблюдаемое со стороны входных зажимов, известно как эф-
фект Миллера. Так как
к
СС
, то
вх.квх
, т. е. входное сопро-
тивление в схеме ОК с ростом частоты падает медленнее, чем в схеме
ОЭ.
8. Входное сопротивление в схеме ОБ в области верхних частот
имеет индуктивный характер.
9. Наилучшими частотными свойствами обладает схема ОБ, а наихудшими – схема ОЭ.
10. Выходные сопротивления в схемах ОЭ и ОБ имеют емкостный
характер, а в схеме ОК – индуктивный.
На основе перечисленных свойств схем включения БТ можно дать
рекомендации по их применению.
Наиболее распространенной является схема ОЭ, поскольку она обладает наибольшим коэффициентом усиления как по мощности, так и
по напряжению при работе на входное сопротивление каскада с ОЭ.
Схема ОК применяется в
выходных и входных каскадах усилителей различного назначения. В первом случае она либо обеспечивает
согласование выходного сопротивления с низкоомной нагрузкой, либо
при работе на большую емкостную нагрузку позволяет за счет низкого
выходного сопротивления получить широкую полосу пропускания
видеоусилителя или малое время установления в импульсном усилителе. Применение схемы ОК во входных
каскадах целесообразно при
высокоомном сопротивлении источника сигнала.
Схему ОБ, как правило, применяют во входных каскадах усилителей высокой частоты при низкоомном сопротивлении источника сигнала.
52
R
R
р
f
R
Пример 4.4
Для исходных данных примеров 4.1 и 4.2 определены параметры
каскадов в схемах ОЭ, ОБ и ОК (табл. 4.3). Сопротивление источника
сигнала
Зависимость параметров каскада от схемы включения биполярного
Схемы
включения
ОЭ 21,5 123 18,2 2650 6,7 1722 25
ОБ 21,5 0,992 0,935 21,3 505 13,9 551
ОК 0,984 124 0,948 122 110 39×103 16×10–3
и сопротивление нагрузки
1
транзистора
K
K
i
K
е
равны 300 Ом.
2
Параметры
K
Таблица 4.3
вс
МГц
вх
Ом
R
,
R
,
вых
кОм
,
4.2.3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА В ТРЕХ
СХЕМАХ ВКЛЮЧЕНИЯ (ОИ, ОЗ, ОС)
По сравнительным свойствам схема включения ПТ ОИ является
аналогом схемы ОЭ, схема ОС ОК и схема ОЗ ОБ. Однако из-за
специфических свойств ПТ ряд достоинств или недостатков той или
иной схемы включения БТ или практически нереализуемы, или несущественны для ПТ.
В отличие от БТ полевой транзистор имеет
очень высокое входное
сопротивление как в схеме включения ОС, так и в схеме ОИ, особенно
при изолированном затворе. В силу этого пренебрегают входным током и считают, что ПТ управляется напряжением. Поэтому усилительные свойства ПТ оценивают обычно коэффициентом усиления по
)
KK
напряжению
K
(при
вх
. Кроме того, как уже отмеча-
e
лось в разд. 4.1.4, частотные свойства ПТ практически определяются
только межэлектродными емкостями
, , CC C
11 22 12
.
С учетом сделанных замечаний можно получить выражения для па-
раметров каскадов на ПТ из соотношений табл. 4.2 заменой
53
11
0,g
g
R
R
f
, 1/
Sg R
21 22
. Так как схема с общим затвором в силу низкого
i
входного сопротивления применяется крайне редко, то ее параметры,
как правило, не рассчитываются.
Пример 4.5
Рассчитаны параметры каскадов ОИ и ОС на МОП транзисторе
КП304Д при следующих исходных данных:
транзистора
K
C
= 9 пФ,
11
С
пФ
вх
S = 2,8 мСм,
R
= 2 кОм. Результаты расчета сведены в табл. 4.4.
12
Зависимость параметров каскада от схемы включения полевого
Схемы включения
ОИ 4,6 24,2 14,25 1×105
ОС 0,85 4,84 111 360
= 100 кОм,
i
U
си
C
= 2 пФ,
12
Параметры
,
= 10 В,
,
вс
МГц
I
= 5 мА,
c
C
= 6 пФ,
22
Таблица 4.4
R
,
вых
Ом
Схемы ОС и ОИ, как правило, применяют во входных каскадах
усилителей при работе от высокоомных источников сигналов. Причем
схему ОС имеет смысл использовать тогда, когда схема ОИ вносит недопустимо большие искажения в области верхних частот (малых времен).
54
5. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВАХ
5.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Об обратной связи (ОС) говорят тогда, когда выходная величина
устройства может воздействовать на входную. Элемент, передающий
это воздействие, называется цепью ОС (ЦОС) (рис. 5.1). В узле 1 происходит сложение сигналов (напряжений или токов), поступающих от
источника сигнала и с выхода ЦОС. Если эти сигналы складываются в
фазе, т. е. при введении
ся, то такая ОС называется положительной (ПОС). Если же сложение
сигналов происходит в противофазе, что приводит к снижению уровней сигналов в узлах 1 и 2, то это отрицательная ОС (ООС).
Источник
сигнала
ОС уровни сигналов в узлах 1 и 2 повышают-
1
УУ
2
Нагрузка
Цепь обратной
связи (ЦОС)
Рис. 5.1. Структурная схема УУ с обратной связью
Если сложение сигналов в узле 1 происходит со сдвигом по фазе
0
и
180 ,
то такая ОС называется комплексной. Причем если
уровни сигналов в узлах 1 и 2 возрастают, то это комплексная ПОС, а
если убывают, то комплексная ООС. Очевидно, что в зависимости от
частоты сигнала ОС может оказаться отрицательной, положительной
или комплексной в одном и том же устройстве. Это объясняется тем,
устройстве с ОС содержатся элементы (пассивные и активные),
что в
55
f
вносящие частотно-зависимые фазовые сдвиги. Поэтому при изменении частоты в широком диапазоне ОС может поменять свой знак (вид)
не один раз. Если говорят, что усилитель охвачен ООС, то имеют в виду вполне определенный, достаточно узкий, диапазон частот вблизи
средней частоты
(для усилителя переменного тока). Однако на кра-
0
ях полосы пропускания, а тем более вне ее, ОС может изменить свой
знак. В дальнейшем слово «комплексная» в определении ОС мы будем
опускать, называя ОС положительной, если происходит возрастание
сигналов в узлах 1 и 2 и, отрицательной при их убывании.
В УУ в
основном используется ООС, так как правильно выбранная
ООС способствует стабилизации характеристик устройства, уменьшению линейных и нелинейных искажений, подавлению внутренних помех, повышению входного и уменьшению выходного сопротивлений.
Ограниченное применение ПОС связано с тем, что этот вид ОС часто
(но не всегда!) приводит к самовозбуждению устройства, т. е. превра-
его в генератор незатухающих колебаний.
щает
ОС принято называть частотно-независимой, если коэффициент
передачи ЦОС не зависит от частоты в отличие от частотнозависимой, где эта зависимость имеет место.
Если ОС возникает за счет элемента, чаще всего активного, который является неотъемлемой частью УУ, то такая связь называется
внутренней.
Внешняя ОС реализуется
с помощью отдельного четырехполюсника, который определенным образом подключается между выходом и
входом устройства.
В зависимости от способа подключения ЦОС к выходу УУ различают ОС по напряжению (рис. 5.2, а) и току (рис.5. 2, б), а по способу
ее подключения ко входу УУ ОС подразделяется на последовательную
(рис. 5.3, а) и параллельную
(рис. 5.3, б).
Действие ОС по напряжению (рис. 5.2, а) не проявляется в режиме
короткого замыкания на выходе
лостого хода
()Z
н
.
(0)Z
, а ОС по току – в режиме хо-
н
Последовательная ОС не функционирует при возбуждении устройства от источника сигнала с бесконечно большим сопротивлением
()Z
в режиме короткого замыкания
, т. е. в режиме холостого хода на входе, а параллельная ОС –
с
(0)Z
.
с
56
Z
Z
E
Z
Z
E
R
R
R
Е
R
R
Е
R
R
Рис. 5.2.
c
Рис. 5.3.
с
Рис. 5.4.
н
ЦОС
н
ЦОС
а б
Виды ОС по способу подключения ЦОС ко выходу усилителя:
а – по напряжению; б – по току
c
c
ЦОС
c
ЦОС
а б
Виды ОС по способу подключения ЦОС ко входу усилителя:
а – последовательная; б – параллельная
1
c
1
R
см
–
ОУ
+
U
н
н
с
c
–
+
ОУ
2
U
н
н
а б
Схемы операционного усилителя с обратной связью по напряжению:
а – параллельная; б – последовательная
57
На рис. 5.4 показаны принципиальные схемы операционного усилителя с ООС по напряжению.
Кроме перечисленных выше ОС следует различать местную и общую ОС. Под первой понимают ОС, охватывающую один каскад уси-
лителя, а под второй – весь усилитель или несколько каскадов.
5.2. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
НА КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ
Основное назначение ОС – передача сигнала с выхода устройства
на его вход. Кроме того, существует и побочное (как правило, нежелательное) влияние ОС на параметры и характеристики устройства. Вопервых, ЦОС шунтирует вход и выход устройства. Во-вторых, через
ЦОС сигнал может просачиваться и в прямом направлении: со входа
устройства на его
выход.
Наиболее просто (с методической точки зрения) проблема учета
взаимного влияния усилителя и ЦОС, а при необходимости и учета ненаправленности системы с ОС решается матричными методами.
Например, усилитель с параллельной ОС по напряжению можно
рассматривать как параллельное соединение двух четырехполюсников – усилителя и ЦОС. Суммируя у-матрицы этих четырехполюсни
ков, находят у-матрицу всей системы, т. е. усилителя с ОС. Далее, используя готовые формулы для линейного четырехполюсника, определяют необходимые параметры (коэффициенты передачи, входное сопротивление и т. д.) усилителя с ОС. В этом случае по умолчанию учитываются и взаимное влияние, и ненаправленность входящих в соединение
четырехполюсников.
Возможен и другой подход, использующий метод узловых потенциалов. Этот подход мы достаточно подробно рассмотрим на практических занятиях.
Однако матричные методы анализа эффективны при машинном
проектировании, так как они связаны с громоздкими формулами и
объемными вычислениями. Кроме того, точность вычисления с использованием этих методов нивелируется технологическим разбросом
параметров
реальной схемы. Поэтому при ручном анализе и расчете
таких схем вводят допущения, основанные на реальных соотношениях
между параметрами элементов.
Классическая теория ОС пренебрегает побочным влиянием ОС,
считая устройство с ОС однонаправленной системой (передача сигнала
-
58
E
R
K
R
происходит только по направлениям, указанным стрелками на
рис. 5.1), состоящей из взаимно независимых функциональных элементов: устройства и ЦОС.
Придерживаясь этих допущений, найдем выражение для коэффициента передачи усилителя, охваченного последовательной ОС по
напряжению (рис. 5.5). На рисунке
U
вых
KU
KU
F
BU – коэффициент передачи ЦОС.
– коэффициент передачи усилителя без ОС;
вх
U
вых
– коэффициент передачи усилителя с ОС;
вх
U
ОС
вых
Согласно второму закону Кирхгофа
UUU
вх вх ОС
. (5.1)
Далее, проводя элементарные преобразования, получим
UU
вых вых
K
F
/
UU
вых вх
1/ 1
UU KB
ОС вх
UUU
вх вх ОС
KK
UU
1
UU
ОС вых
вх вых
(5.2)
c
c
I
вх
U
вх
U
вх
U
ОС
ЦОС
B
U
вых
н
Рис. 5.5. Структурная схема усилителя с последовательной ООС
по напряжению
59
K
K
Обратите внимание, что напряжение на выходе ЦОС
жение, поступающее от источника сигнала
U
вх
, находятся в противо-
U
ОС
и напря-
фазе, т. е. выражение (5.2) соответствует ООС. Если ОС положительная,
то знак «плюс» в знаменателе (5.2) надо поменять на «минус».
Если учесть комплексность передаточных функций и от K перейти к
то получим универсальную формулу
e
K
K
eF
e
1
KB
e
, (5.3)
которая справедлива для любого вида ОС, только в зависимости от вида ОС будут изменяться значения параметров, входящих в это выражение.
Как видно из рис. 5.1, усилитель и ЦОС составляют замкнутое
кольцо, которое принято называть петлей обратной связи. Для количественной оценки ОС применяют усиления вдоль разомкнутой петли
ОС, который называется петлевым усилением или возвратным отно-
шением и обозначается через
Наряду с
Т
широко используется такой параметр, как глубина ОС
.Т
Очевидно, что
TKB
. (5.4)
e
(возвратная разность),
1FT
(5.5)
– параметр, показывающий, как изменится коэффициент передачи
устройства при введении ОС.
Из (5.3), (5.4) и (5.5) следует, что
KKK
K
eF
eee
11
KB T F
e
. (5.6)
От модуля и аргумента возвратного отношения зависит влияние ОС на
все параметры усилителя, в том числе и на коэффициент передачи.
Возвратное отношение – величина комплексная, характеризуемая
arg ,
T
модулем T и аргументом
менты комплексных коэффициентов передачи
T Е B
60
где
и
e
и
Е
.В
Так как аргу-
– аргу-
B
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]