podyak

зью (понимаемое как входное со стороны выходных зажимов).

Эта задача решается в самом общем виде различными методами анализа электронных цепей. Достаточно наглядные результаты получаются, если выполняются или близки к ним следующие условия.

1.Входные сопротивления разомкнутого усилителя и четырехполюсника обратной связи близки к бесконечности.

2.Выходные сопротивления разомкнутого усилителя и четырехполюсника обратной связи близки к нулю.

3.Четырехполюсник обратной связи является однонаправленным, т. е. обеспечивается передача сигнала обратной связи только со стороны его входа на выход.

Та б л и ц а 3.1

Примечание. Знак минус соответствует отрицательной обратной связи, а плюс – положительной.

80

Итоги проведенного анализа, сведенные в табл. 3.1, позволяют сделать следующие выводы относительно влияния различных видов обратной связи на свойства усилителя.

1. Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает коэффициент усиления по напряжению, увеличивает входное сопротивление, уменьшает выходное сопротивление. Как следствие, имеют место повышение стабильности коэффициента усиления, расширение полосы пропускания, увеличение помехозащищенности.

Положительная обратная связь приводит к обратным эффектам, поэтому редко используется в усилителях. При выполнении условия Kb 1 усилитель приобретает свойство генерирования электрических колебаний.

2. Последовательная отрицательная обратная связь по току уменьшает коэффициент усиления по напряжению, увеличивает входное и выходное сопротивления. С помощью отрицательной обратной связи по току решается задача стабилизации выходного тока усилителя, что приводит, однако, к зависимости коэффициента усиления по напряжению от сопротивления нагрузки.

Положительная обратная связь по току в усилителе вызывает противоположный эффект и может привести к самовозбуждению усилителя, если выполняется условие Kb 1.

3. Параллельная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает коэффициент усиления по напряжению, уменьшает входное и выходное сопротивления усилителя, т. е. эффект от ее введения аналогичен действию последовательной обратной связи по напряжению, за исключением влияния на входное сопротивление. Противоположный эффект вносит положительная параллельная обратная связь.

Обратим внимание на замечательные свойства отрицательной обратной связи по напряжению на передаточные свойства усилителя. При условии Kb >> 1 для последовательной ОС и K 1 >> 1 для параллельной связей коэффициенты усиления принимают значения соответственно:

81

т. е. практически не зависят от внутренних параметров усилителя, а определяются только внешними параметрами схемы. Придавая элементам обратной связи различное значение как по величине, так и по характеру, можно, таким образом, создавать преобразователи с широкими функциональными возможностями (масштабирующие, интегрирующие, дифференцирующие усилители и др.)

При разработке усилителя с обратной связью возникает вопрос об обеспечении его устойчивости, т. е. исключении возможности его перехода в режим генерирования электрических колебаний, когда из-за частотных и фазовых искажений усилителя и цепи обратной связи обратная связь приобретает положительный знак.

Обратимся к выражению коэффициента передачи усилителя с последовательной обратной связью, записанного в общем виде в операторной форме:

Запишем выражения полиномов в виде произведения простых сомножителей:

где z1, z2…– нули передаточной функции, при которых А(р) = 0, р1, р2… – полюсы передаточной функции, при которых В(р) = 0.

При подаче на вход усилителя импульсного перепада типа функции включения (t) на выходе схемы возникает переходный процесс, который описывается уравнением

Отсюда следует требование к вещественной части полюсов полинома B(p): вещественные части всех полюсов должны находиться в левой полуплоскости комплексной переменной или равняться нулю. Только при этих условиях переходный процесс придет к установившемуся устойчивому режиму, характеризуемому прогнозируемым соотношением между входным и выходным сигналами усилителя.

82

3.5.УПРАЖНЕНИЯ К РАЗДЕЛУ 3

1.Поясните назначение элементов схем ОИ, ОС.

2.Нарисуйте графики зависимостей IC = f(UЗИ), IC = f(UСИ) и покажите, как с их помощью определить крутизну S передаточной характеристики ПТ и его внутреннее сопротивление rc.

3.Нарисуйте малосигнальную схему замещения ПТ.

4.Нарисуйте полные схемы замещения усилителей ОИ, ОС в режиме малого сигнала.

5.Нарисуйте частные модели схем замещения усилителей ОИ, ОС

вобластях средних, низких и высоких частот.

6.Каким требованиям должен удовлетворять статический режим транзисторов в схемах ОИ, ОС?

7.Поясните принцип организации автоматического смещения в схеме ОИ.

8.Покажите, как определяется положение рабочей точки в схемах ОИ, ОС графическим способом.

9.Раскройте понятия статической и динамической линии нагрузки. 10. Выведите выражение передаточных характеристик схем ОИ, ОС

вобласти средних частот.

11.Выведите выражение передаточных характеристик схем ОИ, ОС

вобласти нижних частот.

12.Выведите выражение передаточных характеристик схем ОИ, ОС

вобласти высших частот.

13.Выведите выражение входных сопротивлений для схем ОИ, ОС

вобласти средних частот.

14.Выведите выражение выходных сопротивлений для схем ОИ, ОС в области средних частот.

15.Поясните понятие добротности усилителя и получите ее выражение для схем ОИ, ОС.

16.Дайте определение граничных частот усилителя и найдите их связь с параметрами элементов усилителей ОИ, ОС.

17.Найдите и постройте зависимости K0 = f(Rн) для схем ОИ, ОС.

18.Дайте сравнительную оценку свойств схем ОИ, ОС.

19.Покажите, как будет выглядеть схема усилителя типа «общий затвор» (ОЗ) и выведите для нее выражение для K0.

20.Назовите причины, вызывающие нелинейные искажения в выходном сигнале схем ОИ, ОС.

21.Поясните понятие обратной связи в усилителях.

83

22.Назовите классификационные признаки видов обратной связи.

23.Получите соотношения, устанавливающие связь между параметрами разомкнутого усилителя и усилителя с обратной связью для всех видов обратной связи.

24.Дайте оценку свойств различных видов обратной связи на параметры усилителя.

25.Найдите в схемах ОИ, ОС элементы цепей обратной связи. Проведите классификацию обратной связи в этих усилителях.

26.Получите в схеме ОС выражения для KОС, Zвх, Zвых, исходя из свойств обратной связи.

27.Поясните понятие устойчивости усилителя с обратной связью и назовите причины, нарушающие ее.

28.Как находятся нули и полюсы комплексного коэффициента усиления усилителя?

29.Каким требованиям и почему должно удовлетворять расположение полюсов комплексного коэффициента усиления на плоскости комплексной переменной для устойчивого усилителя?

3.6.ЗАДАЧИ К РАЗДЕЛУ 3

1.В схеме рис. 3.12 используется полевой транзистор с параметра-

ми Uотс = –4 В, I0 = 16 мА. Значения элементов схемы: RC = 2 кОм, RИ = 0, RЗ = 100 кОм, RГ = 0, ЕС = 15 В, ЕЗ = –2 В. Рассчитать парамет-

ры статического режима.

2. В схеме рис. 3.12 используется полевой транзистор с параметра-

ми Uотс = –4 В, I0 = 16 мА. Значения элементов схемы: RC = 2 кОм, RИ = 500 Ом, RЗ = 100 кОм, RГ = 0, ЕЗ = 0, ЕС = 16 В. Рассчитать пара-

84

4. В схеме рис. 3.12 используется полевой транзистор с параметра-

ми Uотс = –4 В, I0 = 16 мА, СЗИ = 20 пФ, СЗС = 8 пФ. Значения элементов схемы: RC = 1 кОм, RИ = 400 Ом, RЗ = 100 кОм, RГ = 50 кОм,

Rн = 4 кОм, ЕЗ = 0, ЕС = 15 В, С1 = 0,01 мкФ, СИ = 10 мкФ, С2 = .

Рассчитать параметры статического режима, K0, fн, fв, Rвх, Rвых, Сн = 0. 5. В схеме рис. 3.12 используется полевой транзистор с параметра-

ми Uотс = –4 В, I0 = 16 мА, СЗИ = 20 пФ, СЗС = 8 пФ. Принять RГ = 0, Rн = 4 кОм, ЕЗ = 0, ЕС = 16 В, Сн = 200 пФ. Рассчитать значения эле-

ментов схемы, при которых K0 5, fн = 100 Гц, fв = 500 кГц,

Мн = 1.2, Мв = 1.2.

6. В схеме рис. 3.13 используется полевой транзистор с параметрами Uотс = –4 В, I0 = 16 мА. Определить параметры статического режима при следующих значениях элементов схемы: ЕС = 15 В, ЕЗ = 10 В,

RЗ = 100 кОм, R1 = 100 кОм, RИ = 500 Ом, RС = 1 кОм, Rн = 5 кОм.

Рис. 3.13 Рис. 3.14

7.В схеме рис. 3.14 используется полевой транзистор с параметра-

ми Uотс = –4 В, I0 = 16 мА. Определить: параметры статического режима при следующих значениях элементов схемы: ЕС = 20 В, ЕЗ = 10 В, RЗ = 80 кОм, R1 = 120 кОм, RС = 2.5 кОм, Сн = 500 пФ; значения K0 и верхней граничной частоты fв. Влиянием емкостей транзистора пренебречь.

8.В схеме рис. 3.15 используется полевой транзистор с параметрами

Uотс = –5 В, I0 = 25 мА. Определить: параметры статического режима при следующих значениях элементов схемы: ЕС = 25 В, RЗ = 100 кОм,

R1 = 1 кОм, RИ = 600 Ом, RС = 1 кОм, СИ = , С1 = 10 нФ, С2 = 1 мкФ;

значения K0 и нижней граничной частоты fн.

85

Рис.3.15 Рис.3.16

9. В схеме рис. 3.16 используется полевой транзистор с параметра-

ми Uотс = –5 В, I0 = 25 мА.

Значения элементов схемы: ЕС = 12 В, RЗ = 100 кОм, RИ = 600 Ом,

СИ = , С1 = , С2 = 0.1 мкФ, L1 = 1 мГн.

Определить: параметры статического режима, а также K0, f0, полосу пропускания для случаев: а) r = 5 Ом, RC = ; б) r = 0, RC = 20 кОм.

10. В схеме рис. 3.17 используется полевой транзистор с парамет-

рами Uотс = –5 В, I0 = 25 мА.

Значения элементов схемы: ЕС = 15 В, ЕЗ = 15 В, ЕИ = 0, R1 = 100 кОм, R2 = 50 кОм, RИ = 500 Ом, Rн = . Определить параметры статического

режима, Rвх, Rвых, K0.

11. В схеме рис. 3.16 используется полевой транзистор с парамет-

рами Uотс = –4 В, I0 = 16 мА.

Значения элементов схемы: ЕС = 10 В, ЕЗ = 0, ЕИ = 5 В, R1 = 50 кОм, R2 = 50 кОм, RИ = 1 кОм, Rн = . Определить: параметры статического

режима, Rвх, Rвых, K0.

12. В схеме рис. 3.17 используется полевой транзистор с парамет-

рами Uотс = –4 В, I0 = 16 мА.

Значения элементов схемы: ЕС = 12 В, ЕЗ = 5 В, ЕИ = 0, R1 = 50 кОм,

R2 = 50 кОм, RИ = 1 кОм, RГ = 5 кОм, С1 = 0.1 мкФ, С2 = , Сн = 0. Определить: параметры статического режима, Rвх, Rвых, K0, fн

для двух значений Rн = 1 кОм, 500 Ом.

86

Рис. 3.17

13. В схеме рис. 3.17 используется полевой транзистор с парамет-

рами Uотс = –4 В, I0 = 16 мА. Значения элементов схемы: ЕС = 10 В, ЕЗ = 5 В, ЕИ = 5 В, R1 = 50 кОм, R2 = 50 кОм, RИ = 2 кОм, RГ = 2 кОм,

16.Усилитель с коэффициентом усиления по напряжению, равным

50, характеризуется коэффициентом частотных искажений М( в) = 2. Рассчитать значение K0b0, при котором частотные искажения уменьшатся до уровня 1.2.

17.В трехкаскадном усилителе используются полевые транзисторы

скрутизной в диапазоне от трех до шести. При этом максимальное значение коэффициента усиления по напряжению составляет 1 тыс. Какое требуется значение глубины обратной связи, чтобы изменение коэффициента усиления не превышало 10 % от максимального значения?

87

18. Усилитель с выходным сопротивлением 2 кОм работает параллельную цепь RC c параметрами: R = 2 кОм, С = 200 пФ. Определить, насколько изменится верхняя граничная частота усилителя при введении последовательной ООС по напряжению, если K0 = 100, b0 = 0.1

3.7. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЙ

Пример 1. В схеме рис. 3.18 используется полевой транзистор с па-

раметрами Uотс = –4 В, I0 = 16 мА, СЗИ = 10 пФ, СЗС = 2 пФ. Значения элементов схемы: ЕЗ = 0, ЕС = 15 В. Рассчитать параметры статическо-

го режима, обеспечивающие получе-

ных искажений Мн = Мв = 1.4.

1. Исходя из требований к значению верхней граничной частоты, найдем эквивалентную постоянную времени в области высших частот:

S – крутизна характеристики транзистора, зависящая от тока стока.

2. Оцениваем максимальное значение постоянной времени выход-

88

3. Находим максимальное значение коэффициента усиления, при котором входная емкость Свх не превышает значения

нагрузки и тока IRС : ICA = UM/Rн + IRС = 0.5 + 0.25 = 0.75 мА.

6.Находим сопротивление RC = (15 – UCИ – 0.1 ЕС)/ICA = 7.5/0.75 =

=10 кОм.

7.Находим требуемое смещение UЗИ, обеспечивающее ток ICA:

8.Находим сопротивление RИ = 3.1/0.75 = 4.2 кОм.

9.Уточняем значение RC: RC = (15 – UCИ – 3.2)/ICA = 5.8/0.75 = 7.7 кОм. Сопротивление RC оказалось меньшим предполагаемого, что позво-

ляет сделать вывод о возможности получения большего значения высшей граничной частоты для заданных исходных данных.

10.Выбираем сопротивление RЗ = 100 кОм >> RГ.

11.Находим крутизну характеристики транзистора:

12. Находим K0 = S RСН = 1.7 4.35 = 7.4.

11. Находим значения емкостей С1, С2, СИ, предварительно распределив вызываемые ими низкочастотные частотные искажения:

fн = fн1 + fн2 + fНИ = 20 + 80 + ( 0) (последнюю составляющую предполагается сделать близкой к нулю):

Выбираем СИ = 30 мкФ.

89