Разновидности цепей обратной связи

а) однопетлевая

б) 2-х петлевая с независимыми петлями;

в) 2-х петлевая с зависимыми петлями;

г) многопетлевая с местными петлями.

1,6 Влияние оос на свойства усилителей

Рассмотрим влияние ООС на основные параметры – К_ус., НИ, помехи, стабильность усиления, R_вх. и R_вых., частотную, фазовую и переходную характеристики.

Коэффициент усиления без обратной связи.Коэффициент обратной связиНапряжение на управляющем электроде при наличии обратной связи.

- основное уравнение для усилителя с ООС. При ООС т. е. при (-U_ос) уровень сигнала на выходе усилителя уменьшается, а при ПОС т. е. при (+U_ос) уровень сигнала на выходе усилителя увеличивается.

Величину () при ООС называютглубиной ОС.

Коэффициент ОС () может вносить фазовые сдвиги до 180⁰, т. е. на определённых частотах ООС может стать ПОС. Поэтому ОС при практическом применении классифицируют по её знаку в середине полосы пропускания усилителя, где фазовые сдвиги невелики и проходят через нулевое значение.

Еслиявляется действительной величиной и не зависит от частоты, то такую связь называютчастотонезависимой; если зависит от частоты, то ОСчастотозависимая.

При неизменном уровне Р_вых и U_вых ООС уменьшает, а ПОС увеличивает искажения и помехи.

Т. к. ООС уменьшает величину каждой из вносимых гармоник, то и К_гарм. в усилителе уменьшается. Поэтому, если на частотах гармоник фазовые сдвиги в цепи ООС невелики и динамическая характеристика усилителя не выходит за пределы линейного участка, то уровень НИ в усилителе незначительный.

При работе усилителя его К_ус. может изменяться вследствие изменения параметров УЭ и электрических величин деталей схемы под влиянием дестабилизирующих факторов, к которым относятся: старение УЭ и деталей схемы, их замена, изменение температуры, влажности и давления атмосферы, изменение напряжения источника питания и т. п.

ООС стабилизирует К_ус. усилителя; уменьшает его нестабильность; изменяет R_вх цепи, в которую её вводят. Изменение R_вх. зависит от способа введения ОС во входную цепь, её величины и фазы, но не зависит от способа снятия её с выходной цепи.

Последовательная ООС увеличивает R_вх усилителя независимо от способа её снятия и уменьшает динамическую входную ёмкость в (.

Параллельная ООС независимо от способа её снятия уменьшает R_вх усилителя, изменяется и R_вых . Изменение R_вых зависит от способа снятия ООС, её величины и фазы, но не зависит от способа введения её во входную цепь.

ООС по напряжению уменьшает R_вых усилителя в раз, а ООС по току увеличиваетR_вых в раз.

ОС, изменяя К_ус, изменяет его частотную, фазовую и переходную характеристики усилителя.

При малых фазовых сдвигах в усилителе частотнонезависимая ООС уменьшает частотные и фазовые искажения примерно во столько же раз, во сколько и К_ус.

Частотнозависимая ООС (Рис.13) вносит в усилитель частотные и фазовые искажения, противоположные имеющимся у ООС. Поэтому частотнозависимую ООС применяют для изменений частотной и фазовой характеристик усилителя - например, для корректирования характеристик в области нижних, средних и верхних частот, а также, для формирования необходимой АЧХ в резонансных усилителях.

1,7 УЭ могут работать в следующих основных режимах: А, В, С и D (ключевой режим). Существуют и другие режимы работы УЭ, которые представляют собой разновидности основных режимов. К таким режимам относятся режимы АВ и Е.

Режим работы УЭ определяется в основном положением рабочей точки (РТ) (точки покоя (ТП)) усилителя в исходном состоянии (Рис.14). Положение точки покоя на характеристике УЭ (выходной, проходной или входной) определяется величиной напряжения смещения (Е_см) при отсутствии сигнала на входе усилителя. Напряжение смещения (Е_см) в схему усилителя может подаваться от отдельного источника постоянного тока или от источника питания усилителя через делитель напряжения.

Режим А – это такой режим, при котором ток в выходной цепи усилителя протекает в течение всего периода колебаний усиливаемого сигнала и ТП в исходном состоянии находится на середине наиболее линейного участка проходной, входной или выходной динамической характеристик. Угол отсечки .Углом отсечки называется половина интервала времени, в течение которого протекает переменный ток усиливаемого сигнала за период колебаний.

Достоинством режима А является наличие минимальных искажений сигнала (линейный режим).

Основной недостаток – большая величина тока покоя (транзистор всё время работы открыт). Это уменьшает КПД усилителя и ухудшает температурный режим УЭ.

Режим В – это режим работы УЭ, при котором ТП находится в точке запирания УЭ. В исходном состоянии I_пок=0. Ток в нагрузке протекает в течение половины периода. Угол отсечки .

Достоинством режима В является более высокий КПД усилителя. Основной недостаток – резкое возрастание НИ.

Режим В широко используют в 2-х тактных усилителях, т. к. в них автоматически подавляются все чётные гармоники. В режиме В для полного использования наиболее линейного участка характеристики требуется уровень входного сигнала.

Режим С – это режим работы УЭ, при котором ток в нагрузке усилителя протекает меньше половины периода колебаний усиливаемого сигнала. Угол отсечки . Для полного использования наиболее линейного участка характеристики требуется большой уровень входного сигнала. ТП находится левее начала характеристики УЭ.

В апериодических усилителях и усилителях биполярных импульсов режим С не применяется из за больших нелинейных искажений сигнала. Режим С рекомендуется в избирательных усилителях РПДУ достаточно большой мощности, т. к. применение в схеме колебательных резонансных систем ограничивает полосу излучаемых передатчиком частот.

Достоинством режима С является высокий КПД усилителя.

Режим D (ключевой режим) – это такой режим работы УЭ, при котором УЭ находится только в 2-х состояниях: полностью открыт или полностью закрыт. В таком режиме потери энергии незначительны и КПД усилителя приближается к 100%.

1,10 Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники

1,12 Операционными усилителями (ОУ) называется широкий класс усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенных для работы с глубокой обратной связью. Эта обратная связь настолько велика, что параметры схем на ОУ практически полностью зависят от глубины обратной связи и элементов схемы, входящих в цепь обратной связи.

В настоящее время ОУ являются самыми универсальными и массовыми элементами аналоговых схем. Они широко используются в качестве элементов аналоговой вычислительной техники, генераторов, ключей, преобразователей, активных фильтров и др. На базе ОУ разработано большое количество различных схем усилителей. Такая многофункциональность и гибкость при использовании ОУ достигается применением разнообразных внешних цепей ОС, включающих линейные, нелинейные, пороговые, частотно-зависимые элементы.

Независимо от сложности принципиальной схемы интегральный ОУ содержит следующие функциональные узлы:

• входной дифференциальный каскад, определяющий входные параметры;

• усилитель напряжения;

• схему сдвига постоянного уровня и выходной каскад.

Дифференциальный каскад (Рис.14,г) в интегральном исполнении обладает высокой степенью симметрии, что позволяет значительно снизить дрейф нуля и уменьшить чувствительность к синфазным помехам, действующим одновременно по обоим дифференциальным входам. Входной каскад имеет наибольший К_ус., чтобы снизить усиление последующих каскадов, уменьшая при этом влияние их разбаланса на параметры ОУ, 2-й и 3-й каскады обычно объединены и предназначены для усиления сигнала, согласования по уровню с выходным каскадом, а также для развязки входного и выходного каскадов усилителя.

Выходной каскад является усилителем мощности и обеспечивает согласование R_вых. ОУ с низкоомной нагрузкой. Обычно он выполняется в виде 2-х тактного эмиттерного повторителя, работающего в режиме АВ или В. Иногда выбирается режим А. В выходных каскадах некоторых ОУ предусмотрена схема защиты от перегрузок, ограничивающая максимальный выходной ток усилителя.

1. Параметры ОУ

«Идеальным» ОУ называется усилитель, обладающий высокими «идеальными» параметрами. Основные характеристики такого ОУ следующие:

• коэффициент усиления бесконечно велик (К_ус. );

• полоса пропускания ;

• входное сопротивление Z_вх. ;

• выходное сопротивление Z_вых.;

• выходное напряжение U_вых. = 0 при U_вх.=0.

Идеальные параметры не могут быть получены в реальной схеме, но качество ОУ определяется степенью приближения к идеальному ОУ.

Переходя к реальным значениям параметров, характеризующих ОУ, необходимо иметь в виду, что параметры ОУ, охваченного цепями ОС, в конкретных схемах включения значительно отличаются от собственных параметров ОУ, рассматриваемых ниже.

Коэффициент усиления ОУ определяется отношением изменения U_вых. к вызвавшему его изменение напряжения между дифференциальными входами усилителя при разомкнутой цепи ОС. Величина К_ус. достигает десятков и сотен тысяч. К_оу=. Коэффициент усиления без ОС зависит от сопротивления нагрузки, температуры, напряжений питания. ОУ без обратной связи практически не применяется, за исключением случаев применения в компараторах (измеритель методом сравнения – компарирования) напряжения.

Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала в ОУ с дифференциальными входами различают дифференциальное R_вх. и R_вх. для синфазных сигналов.

R_вх.ОУ = .

Дифференциальное R_вх., т. е. сопротивление ОУ для входного сигнала, разность потенциалов которого приложена между дифференциальными входами ОУ, определяется величиной сопротивления между этими входами. Оно имеет величину от нескольких КОм до нескольких МОм.

R_вх. для синфазного сигнала, т.е. сопротивление ОУ для входного напряжения, приложенного одновременно к обоим дифференциальным входам ОУ относительно корпуса, определяется сопротивлением между замкнутыми накоротко входами ОУ и общим проводом. R_вх. для синфазных сигналов достигает десятков МОм.

Выходное сопротивление – это сопротивление ОУ, измеренное со стороны подключения R_нагр.. Для разных типов ОУ оно лежит в пределах

50 – 2000 Ом. Величина R_вых. определяет величины выходного тока.

Полоса пропускания определяется видом АЧХ ОУ, т. е. зависимостью его усиления от частоты входного сигнала. Частота f_среза АЧХ ОУ определяется также как и в любом усилителе, т. е. на уровне -3Дб (0,707) от максимального уровня.

Смещение выходного напряжения U_вых. ОУ.

В реальном ОУ из за неизбежности рассогласования параметров схемных элементов даже при отсутствии U_вх. на выходе ОУ появляется небольшое постоянное напряжение. Величина этого напряжения, а главное, его изменение (дрейф нуля) в зависимости от температуры и других факторов, который не отличим от полезного сигнала, является одним из главных ограничений, определяющих точность работы ОУ.

Напряжение смещения нуля определяется величиной напряжения, приложенного между входами ОУ, необходимого для приведения напряжения на выходе усилителя к нулю. Напряжение смещения зависит от температуры и напряжения источника питания. Паспортная величина U_смещ.= 10-50 мВ. Величина дрейфа 1-50 мкВ/⁰С.

Входные токи ОУ обусловлены конечной величиной R_вх. реального ОУ. Для характеристики входных токов используется 2 параметра:

• начальный входной ток, который определяется величиной R_вх. ОУ;

• начальный разностный входной ток, определяемый разностью начальных входных токов каждого из входов ОУ и вызванный разницей К_ус. по току входных транзисторов дифференциального каскада.