11 Электроника Лекции в презентациях 2012
.pdf
Отрицательная обратная связь
Введение ООС уменьшает нелинейные искажения усилителя (коэффициент гармоник) примерно в (1+β∙Ku) раз. Это происходит оттого, что ООС линеаризует систему и уменьшает ее ошибки. Изменяется и амплитудная характеристика усилителя (рис), на ней плавный переход к области насыщения превращается в довольно острый излом – ООС линеаризует этот участок и «пытается» вытянуть пропорциональное усиление даже там, где оно уже начинает уменьшаться.
Uвых |
Плавный переход |
|
Резкий переход
без ООС
с ООС
Uвх
Амплитудная характеристика усилителя |
21 |
|
Отрицательная обратная связь
Отрицательная обратная связь расширяет частотный диапазон усилителя. Нижняя fн и верхняя fв граничные частоты увеличиваются примерно в (1+β∙Ku), если усилитель имеет спад АЧХ 6 дБ/октаву.
22
Отрицательная обратная связь
Таким образом, отрицательная обратная связь приводит к уменьшению частотных искажений в усилителе.
Предположим, что при синусоидальном сигнале на входе усилитель создает на выходе (кроме синусоидального полезного сигнала) также напряжение помехи Uir которая вызвана нелинейностью характеристик элементов схемы или собственными помехами усилителя.
Если усилитель охвачен отрицательной обратной связью, то полезный сигнал и напряжение помехи, пройдя через контур обратной связи, появятся на выходе ослабленными в (1+βК) раз. Такому воздействию подвергнутся все гармонические составляющие помех усилителя, т. е. коэффициент нелинейных искажений усилителя уменьшается. Полезный сигнал также уменьшается, но его величину на выходе можно повысить до прежнего уровня за счет повышения усиления в предыдущих каскадах, в которых нет нелинейных искажений. Следовательно, коэффициент нелинейных искажений Кгоос усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, может быть уменьшен по
сравнению с его величиной Кг при разомкнутой обратной связи с
сохранением заданного уровня выходного сигнала. |
23 |
Отрицательная обратная связь
Коэффициент усиления «реального» усилителя, и коэффициент передачи цепи обратной связи обычно величины комплексные (петлевое усиление также является комплексным).
|
|
Ku |
|
Ku |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Ku |
||
При этом цепь ООС может изменять не только амплитуду сигнала, но и его фазу. Причем, если сдвиг фаз в петле ООС станет равным 180 градусам, то сигнал обратной связи будет не вычитаться из сигнала источника, а прибавляться к нему, и обратная связь из отрицательной превратится в положительную.
24
Особенности «реальных» ОУ
Диапазон питающих напряжений ограничен.
С повышением частоты уменьшается размах выходных напряжений
Коэффициент усиления имеет конечную величину, уменьшается с увеличением частоты.
На предельных частотах появляется фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного, что может превратить отрицательную обратную связь в положительную, при этом усилитель превращается в генератор (на фронтах наблюдается характерный «звон»).
С увеличением частоты повышается потребляемая мощность ОУ.
На высоких частотах сказывается ёмкость входных транзисторов, следовательно уменьшается входное сопротивление.
Входное и выходное сопротивление имеет определённый импеданс.
Имеется дифференциальное смещение напряжения между входами.
Наблюдается температурная нестабильность в виде дрейфа статической рабочей точки на выходе ОУ особенно при больших коэффициентах усиления.
Для улучшения параметров ОУ вводится отрицательная обратная
связь (ООС). |
25 |
Характеристики операционных усилителей
ОУ характеризуются
усилительными,
входными,
выходными,
энергетическими,
дрейфовыми,
частотными и
скоростными характеристиками.
Усилительные характеристики
Коэффициент усиления К равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряжению (току) при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от
103 до 107.
26
Характеристики операционных усилителей
Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики.
|
|
Uвых, В |
|
инвертир. вход |
неинв. вход |
||
|
+Uвых max |
|
|
-Uвх, мВ |
|
|
Uвх, мВ |
|
|
-Uвых max |
|
|
|
-Ек |
|
|
|
-Uвых, В |
|
|
|
||
|
|
27 |
|
|
Характеристики |
|
|
операционных усилителей |
|
Дрейфовые характеристики |
|
|
|
+Uвых, В |
|
|
+Ек |
|
|
-Uсмо |
|
|
+∆Uвых |
+Uвх, мВ |
|
|
|
-Uвх, мВ |
-∆Uвых |
|
|
|
|
|
+Uсмо |
|
|
-Ек |
|
|
-Uвых, В |
|
28
Характеристики операционных усилителей
Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала, из которого видно, что при достаточно больших значениях Uсф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала Ксф резко возрастает.
+Uвых, В
-Uсф
+Uсф
-Uвых, В
Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала.
29
Характеристики операционных усилителей
Входные характеристики:
1)входное сопротивление,
2)входные токи смещения,
3)разность и дрейф входных токов смещения,
4)максимальное входное дифференциальное напряжение
Iвх.сми R1 Uвхи
Iвх.смн |
Uвых |
|
R2 Uвхн
Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого
дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.
30