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
E
мент
зависит от частоты, то вид ОС при изменении частоты от 0 до
T
∞ будет меняться не один раз, в зависимости от числа нулей и полю-
сов передаточной функции T(p). Рассмотрим два характерных случая.
Случай первый
180 ,
T
т. е. пройдя по петле ОС, сигнал возвращается на вход в
противофазе. Это признак ООС. Тогда
j
TT T T
ee
j
T
180
и глубина ОС
11FF T
, (5.7)
т. е. ООС уменьшает коэффициент усиления в F раз, что является существенным недостатком такого вида ОС.
Рассмотрим физику процессов. При введении ООС напряжение
U
(см. рис. 5.5), действующее непосредственно на входе усилитель-
вх
UUU
ного элемента, уменьшается
жению напряжения на выходе
вх вх ОС
UKU
вых вх
. Это приводит к сни-
. Таким образом, при
неизменном ЭДС источника сигнала уменьшается выходное напряжение, а значит, и сквозной коэффициент усиления по напряжению
U
вых
.
K
eF
c
Второй случай
0
T
. Это признак ПОС. В этом случае
,TT
а
При T = 1 F = 0 и
K
eF
, что соответствует самовозбуждению
(5.8)
1.FF T
устройства, т. е. оно превращается в генератор незатухающих колебаний. Возбудившееся устройство не может выполнять свои прямые
функции – усиливать подаваемые на его вход электрические сигналы,
так как оказывается полностью загруженным собственными колебаниями. Поэтому для усилительных устройств самовозбуждение недопустимо.
61
Z
Z
Физика явления самовозбуждения заключается в следующем. На
входе реального усилителя всегда имеются как внешние, так и внутренние помехи (см. разд. 3.8), занимающие весь диапазон радиочастот. Если
обратная связь положительная и возвратное отношение равно единице,
то коэффициент усиления устройства с ОС становится бесконечно
большим. При этом ничтожно малое входное напряжение той частоты
для которой эти условия выполняются, должно привести к появлению
на выходе бесконечно большого напряжения этой частоты.
В действительности выходное напряжение не будет бесконечно велико, а ограничится верхним сгибом амплитудной характеристики
усилителя (рис. 3.11).
5.3. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ВХОДНОЕ
И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Влияние ОС на входное сопротивление зависит от знака, глубины и
способа подачи ОС на вход устройства и не зависит от способа снятия ОС с его выхода.
Для получения количественных соотношений следует воспользоваться формулой Блекмана, которая для входного сопротивления имеет вид
0)
F
ZZ
F
вх вх
вх
F
вх
, (5.9)
)((
,
где
вх
мыкании
Z
и
вхF
)(0F
и
(0)Z
с
– входные сопротивления с обратной связью и без обрат-
вх
)(F
– соответственно глубина ОС при коротком за-
вх
и холостом ходе
()Z
с
источника сигнала, а
ной связи.
Если связь параллельная (рис. 5.6), то в режиме короткого замыкания источника сигнала она не функционирует, т. е.
Z
вх
При ООС
вх
)(1F
и
ZF
вх
вх вхF
F
Z
. (5.10)
)(
вх
, т. е. параллельная (не важно, по
вх
1(0)F
и
току или напряжению) ООС уменьшает входное сопротивление
устройства.
62
I
Z
F
I
I
F
Z
K
c
E
c
вх
вх
U
вх
Z
вх
ОС
ЦОС
Рис. 5.6. Структурная схема усилителя с параллельной
ООС
Это является недостатком данного вида ОС.
)(
F
Из неравенства
вх
следует, что ОС сильнее влияет на
входное сопротивление, чем на коэффициент передачи. Причем это
утверждение относится к любому способу подачи ОС на вход устройства.
Физически это можно объяснить следующим образом.
Входное сопротивление устройства с ОС (рис. 5.6)
/
При введении ООС
III
вх вх ОС
UI
вх вх вх
F
, т. е. ЦОС подает на входной
. (5.11)
узел ток ОС, но не нагружает этот узел дополнительной проводимостью (мы сделали допущения об отсутствии шунтирующего влияния
ЦОС). Увеличение входного тока
го напряжения
()UU E IZ
вх вх c вх c
I
приводит к уменьшении входно-
вх
, а значит, и к уменьшению
напряжения на выходе, т. е. к уменьшению сквозного коэффициента
передачи
eF
.
Входное сопротивление будет изменяться сильнее, так как будет не
только уменьшаться напряжение
U
в (5.11), но и возрастать ток
вх
63
I
.
вх
I
Z
F
)(1F
При последовательной ОС (рис. 5.7)
вх
(ОС не действует в
режиме холостого хода на входе) из (5.9) следует, что
ZZF
вх вх вх
F
)(0
. (5.12)
c
E
c
Z
вх
вх
U
U
вх
вх
U
ОС
ЦОС
Рис. 5.7. Структурная схема усилителя
с последовательной ООС
Таким образом, последовательная ООС
вх
1(0)F увеличивает
входное сопротивление устройства, что во многих случаях является
положительным фактором.
Это объясняется следующим образом. При введении ООС напря-
U
жение
уменьшается (см. разд. 5.2), что вызывает снижение вы-
вх
ходного напряжения и сквозного коэффициента усиления по напряжению. Уменьшение
IUR
вх вх вх
U
приводит также к уменьшению входного тока
вх
и к увеличению входного напряжения
UERI
вх ccвх
Таким образом, входное сопротивление с ОС (5.11) будет изменяться
.
сильнее, чем коэффициент усиления
K
eF
Если воспользоваться формулой Блекмана для выходного сопро-
тивления, то
.
((0)
F
ZZ
F
вых вых
F
вых
вых
, (5.13)
)
64
F
где
(0)Z
н
0), )((FF
вых вых
– глубина ОС в режиме короткого замыкания
или холостого хода
()Z
н
на выходе устройства.
Влияние ОС на выходное сопротивление определяется знаком ОС,
ее глубиной и способом снятия с выхода устройства и не зависит от
способа подачи на его вход.
(0) 1F
При ОС по напряжению (см. рис. 5.2, а и 5.5)
Z
Так как при ООС
вых
Z
вых
() 1F
F
вых
()
F
вых
, то ООС данного типа уменьшает
вых
. (5.14)
и
выходное сопротивление, что очень часто является положительным
фактором.
При ОС по току (см. рис. 5.2, б)
т. е. ООС по току
ZZF
вых вых вых
вых
F
(0) 1F увеличивает выходное сопротивле-
вых
() 1F
и
(0)
, (5.15)
ние, что, как правило, нежелательно.
Таким образом, для увеличения входного и уменьшения выходного
сопротивления следует применять последовательную ООС по напряжению (например, эмиттерный повторитель).
Как и в случае входного сопротивления, ОС сильнее воздействует
на выходное сопротивление, чем на коэффициент передачи, поскольку
) и (( 0) .
вых вых
FF F
5.4. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА СТАБИЛЬНОСТЬ
КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ
В рабочих условиях коэффициент передачи любого устройства не
остается постоянной величиной, так как на него воздействуют такие
дестабилизирующие факторы, как изменение напряжения питания, колебания температуры окружающей среды, старение УЭ. Кроме того,
коэффициент передачи зависит от сопротивления нагрузок на входе и
выходе и от частоты.
Эти случайные изменения коэффициента передачи нежелательны
(особенно для измерительных усилителей). Использование глубокой
65
K
K
K
K
ООС позволяет значительно повысить стабильность этого коэффициента.
Действительно, при ООС
K
K
eF
e
1
. (5.16)
KB
e
Необходимо найти относительное изменение
eF eF eF
/
KK
при известных относительных изменениях
/ и /
KK B BB
eee
,
т. е. задана дифференцируемая функция
, .()yfxx
12
Абсолютное
приращение функции при малых значениях аргументов
ff
yx x
12
xx
12
. (5.17)
Воспользуемся (5.17) для нахождения сначала абсолютного, а затем и относительного изменения
и B и проделав несложные преобразования, получим
e
KKB
KB
eF
11
KB KB
Если элементы ЦОС высокостабильные, т. е.
K
eF
1
Полученный результат показывает, что при
. Продифференцировав (5.16) по
eF
ee
ee
KK
KB F
ee
e
. (5.18)
constB
и
. (5.19)
введении ООС отно-
0B
, то
сительная нестабильность коэффициента усиления уменьшается по
сравнению с относительной нестабильностью этого же коэффициента без ОС во столько же раз, во сколько ООС уменьшает коэффициент передачи.
66
R
Из (5.18) следует, что пределом, который ограничивает стабильность коэффициента передачи устройства с ООС, является стабильность коэффициента передачи ЦОС, так как
KKB
min
eF eF
lm)()(i
KB
e
. (5.20)
Поэтому для устройств с высокостабильным коэффициентом передачи
ЦОС должна быть выполнена на прецизионных элементах.
Нестабильность выходного тока и выходного напряжения уменьшается в одинаковой мере независимо от вида ОС (по току или напряжению) лишь в том случае, если они обусловлены внутренними при-
чинами. В самом деле, при изменении выходного
тока
i
вых
по внут-
ренним причинам (например, изменение температуры перехода тран-
URi
зистора) изменяется и выходное напряжение
вых н вых
и
наоборот. Но если эта нестабильность обусловлена внешними причинами (например, изменением сопротивления
)
, то в устройстве с ОС
н
по напряжению дестабилизируется ток, а в устройстве с ОС по току –
напряжение.
5.5. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
НА АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНУЮ, ФАЗОЧАСТОТНУЮ
И ПЕРЕХОДНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Применение ОС позволяет существенно уменьшить уровень линейных искажений, т. е. улучшить формы АЧХ, ФЧХ и переходной
характеристики. В данном разделе мы ограничимся качественным рассмотрением влияния ОС на эти характеристики. Количественная же
оценка будет дана при анализе конкретных схем.
Изменение частоты можно рассматривать как один из дестабилизирующих факторов, который
приводит к изменению комплексных
сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Кроме того, при изменении частоты будут меняться параметры УЭ. Все это приводит к нестабильности коэффициента усиления, т. е. выводы предыдущего раздела можно распространить и на этот случай.
Пусть устройство охвачено частотно-независимой (
B = const) ООС,
причем в петлю ОС входит один-два каскада. В этом случае при изменении частоты фазовый сдвиг
будет изменяться сравнительно
T
67
K
f
y
мало и ОС останется отрицательной (комплексной) во всем диапазоне
рассматриваемых частот. Так как ООС стремится поддержать
( ) const,Kf
то АЧХ устройства с ООС (кривая при
рис. 5.8) будет более равномерной, чем без ОС (кривая при
2F
на
0
1)F
. На
0
краях рассматриваемого частотного диапазона эти кривые совпадают,
так как уменьшается глубина ОС
()
f
. Тот факт, что при введении ООС расширяется полоса пропус-
() 1 ()Ff KfB
из-за падения
кания устройства (уменьшаются частотные искажения), особенно
наглядно виден на нормированных АЧХ (рис. 5.9).
K(f)
1F
0
2F
0
f
Рис. 5.8. Влияние частотно-независимой ООС на АЧХ
Таким образом, применение ООС приводит к выравниванию АЧХ за
счет уменьшения усиления на средних частотах, где без ООС оно
максимально.
() ()/
fKfK
0
1F
0
2F
0
Рис. 4.9. Влияние частотно-независимой ООС на нормированную
АЧХ
68
F
f
Если ОС охватывает более двух каскадов, то зависимость
T
от
частоты будет более сильной, так как фазовые сдвиги отдельных каскадов суммируются. В результате на отдельных участках частотного
диапазона ОС становится положительной и коэффициент усиления с
ОС становится больше, чем без ОС. Возможны даже значения
)1(Fyf
, т. е. образование максимумов АЧХ.
Расширение полосы равномерного усиления способствует уменьшению фазового сдвига
(по абсолютному значению) и переходных ис-
кажений. Однако при образовании максимума АЧХ в области верхних
частот устройство ведет себя как колебательный контур, доброт-
0,5),Q
ность которого превышает критическое значение
кр
– возни-
кают значительные выбросы, недопустимые особенно при усилении
сигналов изображения.
Таким образом, введение ООС расширяет полосу пропускания усилителя. Проиллюстрируем это на примере усилителя с передаточной
функцией (ПФ):
K
()
Kjj
0
. (5.21)
1
в
Такой ПФ обладает резисторный каскад в области верхних частот.
Охватим этот усилитель частотно-независимой ООС с коэффициентом
передачи
B, тогда
Kj KF
()
Kj
Kj
)(
F
1()1 1 )/(
BK j BK j
0 в 00
0 в
)/(1 /
1
j
. (5.22)
в
0
Верхняя частота среза в исходном усилителе
вс
1
. (5.23)
2π
в
1FBK
00
f
При введении ООС постоянная времени уменьшилась в
раз и во столько же раз возросла верхняя частота среза,
вс вс 0
F
1
F
69
fF
в
0
2π
. (5.24)
K
F
K
K
K
F
K
K
Аналогичный вывод можно сделать и для нижней частоты среза.
Довольно часто используются и частотно-зависимые ООС. Если
ОС глубокая
(()() 1),KfBf
то согласно (5.2)
)1/ )((,
fBf
F
т. е.
АЧХ усилителя с ООС оказывается противоположной АЧХ ЦОС. Так,
если ЦОС – фильтр нижних частот, то усилитель с ОС будет иметь
АЧХ фильтра верхних частот.
Введение ООС способствует линеаризации ФЧХ устройства и
уменьшению фазового сдвига:
/
F
. (5.25)
0
5.6. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
НА ВНУТРЕННИЕ ПОМЕХИ
Внутренние помехи усилителя ограничивают тот минимальный
сигнал, который может быть усилен усилителем без заметных искажений, т. е. ухудшают чувствительность усилителя.
Введение ООС приводит к уменьшению этих помех. Действительно, пусть помеха возникает где-то внутри усилителя (рис. 5.10) так, что
,e
генератор
части с коэффициентами передачи
ент передачи усилителя
а коэффициент передачи для помехи по ЦОС равен
замещающий эту помеху, разделяет усилитель на две
п
и ,
K
12
.
KK
Усилитель усиливает
12
причем общий коэффици-
e
в
п
2
;BK
при этом
1
раз,
глубина ОС оказывается такой же, как и для сигнала, т. е.
11.
KBK BK
Вх.
21
e
п
1
B
Вых
2
Рис. 5.10. Структурная схема усилителя с внут-
ренней помехой
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]