4 семестр (2 курс)лала / ЭП (Электронные приборы) / Техническая электроника 2000 (Ткаченко Ф.А

261

характеристики; расширяет полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот; уменьшает частотные искажения. ООС уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Если при ООС β&К >>1, то

говорят, что усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью

В этом случае коэффициент усиления усилителя определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи и не зависит от собственного коэффициента усиления К усилителя.

Если величина βК вещественная и положительная, то сигнал обратной связи совпадает по фазе со входным сигналом, усилитель охвачен положительной обратной связью. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в 1 – βК раз. При βК =1 в усилителе возникает условия для самовозбуждения усилителя, охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашел применение в генераторах напряжения.

Сущность самовозбуждения заключается в следующем: любой малый входной сигнал, вызванный наводками или колебаниями параметров активных элементов, усиливается и возвращается обратно на вход усилителя. Суммируясь со входным сигналом, он вызывает появление большого входного сигнала. В реальных усилителях наступает ограничение выходного сигнала, и появляются незатухающие колебания.

Положительная обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления, в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом стабильность коэффициента усиления значительно ухудшается.

Для качественной оценки действия цепи обратной связи определим стабильность коэффициента усиления усилителя с обратной связью. Для этой цели продифференцируем выражение (10.25)

тогда относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется как

Откуда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в (1+βК) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изме-

262

нении коэффициента усиления усилителя К изменяется напряжение обратной связи Uос , приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препят-

ствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента усиления усилителя при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала (рис. 10.15), при этом полоса пропускания усилителя ∆f расширяется.

Рассмотрим влияние последовательной обратной связи на входное и выходное сопротивления в диапазоне средних частот. Входное сопротивление усилителя с обратной связью определяется как

сопротивление каскада при последовательной обратной связи по напряжению

ваченного ООС уменьшается. увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений усилителя с ООС – очень ценные свойства для оконечных каскадов усилителя; обеспечивается меньшая зависимость выходного напряжения

263

усилителя при изменении сопротивления нагрузки, усилитель приближается к идеальному источнику напряжения.

10.6.2. Последовательная обратная связь по току

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току приведена на рис. 10.16. Напряжение обратной связи Uос снимается с резистора Rос, включенного последовательно с нагрузкой Rн, при протекании через резисторы выходного тока Iвых.

Коэффициент передачи для последовательной обратной связи по току представляет собой проводимость или крутизну передачи. Однако удобнее анализировать схему с помощью коэффициента передачи напряжения

Для входной цепи справедливо выражение U′вх = Uвх + Uос, а коэффициент усиления определяется выражением

Выражение (10.31) показывает, что последовательная обратная связь по току оказывает такое же влияние на коэффициент усиления и его нестабильность, как и последовательная обратная связь по напряжению.

Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью равно

где Rвх = U′вхIвх ;

Y21 – проводимость прямой передачи усилителя с обратной связью, которая меньше нуля для отрицательной обратной связи по току.

Поэтому входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току, увеличивается в 1+ Y21Rос раз, а положительная ОС

уменьшает его в 1− Y21Rос раз.

264

Выходное сопротивление усилителя, охваченного последовательной обратной связью по току, определяется при подаче переменного напряжения на выход усилителя Uвых при коротком замыкании генератора ( Eг = 0 )

Отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя, а положительная увеличивает или уменьшает его в зависимости от величины KUвх(Rвх + Rг ).

Данный тип обратной связи применяется тогда, когда необходимо иметь очень большое выходное сопротивление усилителя. В этом случае усилитель эквивалентен генератору тока, и выходной ток Iвых не зависит от сопротивления нагрузки.

Независимо от вида, отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:

1.Уменьшение коэффициента усиления.

2.Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов.

3.Уменьшение уровня нелинейных искажений.

4.Расширение полосы пропускания.

Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.

Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.

Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в усилителях могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие его работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:

– паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания;

266

тельно большими величинами постоянных соста-

вляющих Iко, Uкэо. В связи с этим КПД

усилительного каскада в режиме А невелик, всегда меньше 40 %. Режим класса А применяется в тех случаях, когда необходимы мини-

мальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими, это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.

Режим класса В – это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис. 10.18). В режиме класса В транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки θ=90°. Углом отсечки называют половину времени пе-

риода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя в пределах 60…70 %. Режим класса В применяется в двухтактных каскадах,

где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы был линейный характер характеристик. В связи с этим режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала ( Kг ≤10% ) и

этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах

267

усиления, однако в чистом виде его используют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.

Режим класса АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 10.19). При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, равный 5…15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в режиме класса АВ несколько больше π2 и достигает 120…130°.

При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений ( Kг ≤ 3% ), полученных

за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора. КПД каскадов, работающих в

режиме АВ, выше, чем каскадов в классе А, но меньше чем в классе В за счет наличия малого входного тока покоя Iбо.

Режим класса С – это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через транзистор протекает в течение времени меньшего половины входного сигнала (рис. 10.20). Угол отсечки меньше π2 , а ток покоя

равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100 %.

С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой гармоники. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и

268

обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.

Режим класса D – это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100 %.

Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.

10.8. Работа активных элементов с нагрузкой

При работе активного элемента в аппаратуре связи или радиотехнических устройствах на управляющий электрод подается входной сигнал. Изменение входного сигнала приводит к изменению тока в выходной цепи активного элемента. Чтобы использовать изменение выходного тока в выходную цепь активного элемента всегда включается нагрузка. В качестве нагрузки может быть или активное сопротивление (резистор), или колебательный контур, или трансформатор. Выходной ток, протекая по нагрузке, создает на ней падение напряжения, которое вычитается из напряжения источника питания. В связи с этим величина выходного тока зависит от одновременного изменения напряжения на управляющем и выходном электродах активного элемента.

Для анализа работы активного элемента с нагрузкой кроме статических характеристик используется нагрузочная характеристика. Нагрузочная характеристика представляет собой геометрическое место точек составляющих токов и напряжений входной или выходной цепей соответственно, которым соответствуют возможные значения режима работы усилительного каскада.

Методика построения нагрузочной характеристики не зависит от типа активного элемента. Рассмотрим построение нагрузочной характеристики на примере усилительного каскада с общим эмиттером. При включении нагрузки в коллекторную цепь транзистора изменение тока коллектора определяется совместным воздействием изменений входного тока базы и напряжения в выходной коллекторной цепи.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния

269

т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения коллектор–эмиттер Uкэо транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как Uкэо = Uип −IкоRк .

Выражение (10.36) является математическим описанием прямой линии, его называют уравнением нагрузочной прямой, которая строится на семействе статических выходных характеристик (рис. 10.21,б).

Построение линии нагрузки по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка А: Iко = 0, Uкэо = Uип) и короткого замыкания (точка В: Uкэо = 0, Iко = UипRк ). Наклон линии нагрузки определяется величиной сопротивления резистора Rк, поэтому

характеристику можно провести под углом α = −arctg 1 . Rк

Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (10.36) для данных сопротивления нагрузки Rк, напряжения питания Uип и различных значений входного тока. Выбрав на входной характеристике Iб = f (Uбэ) значение тока покоя базы Iбо и

определив точку пересечения соответствующей выходной характеристики, снятой при Iб = Iбо , с нагрузочной прямой, определяем режим по постоянному

току выходной цепи – точка О (Iко, Uкэо). Для получения наибольшей амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя размещалась посередине его линии нагрузки. При этом режим ограничения будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения, каскад будет работать с минимальными нелинейными искажениями (режим класса А).

У биполярных транзисторов кроме нагрузочной характеристики используется входная характеристика, получаемая методом перенесения точек пере-

270

сечения выходной нагрузочной характеристики на семейство входных характеристик.

Однако для многих транзисторов характерно слабое влияние коллекторного напряжения на входной ток. Это проявляется в очень незначительных смещениях входных статических характеристик при изменениях коллекторного напряжения, в связи с чем семейство входных статических характеристик представлено лишь двумя характеристиками: характеристикой, снятой при напряжении Uкэ = 0 ( Uкб = 0 ), и характеристикой, снятой при номинальном на-

пряжении на коллекторе. Поэтому нагрузочная входная характеристика в этом случае сливается со статической, снятой при Uкэ ≠ 0 ( Uкб ≠ 0 ) (рис. 10.21,а).

Для определения переменных составляющих тока и напряжения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току. Для переменного тока Iкm источник питания, сопротивление разделительного конденсатора Cр2 практически не представляют никакого сопро-

тивления. Поэтому для Iкm сопротивления резисторов Rк и Rн соединены параллельно и образуют сопротивление нагрузки транзистора по переменному току

тельного каскада по постоянному току Rн– больше, чем по переменному току Rн~. При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих. При увеличении Iкm мгновенное напряжение на коллекторе уменьшится и его

приращение будет равно

вую) цепь каскада подается входное напряжение амплитудой Uвх, то рабочая точка на входной нагрузочной характеристике будет перемещаться вверх в

точку 1 при положительной полуволне входного сигнала и вниз в точку 2 при отрицательной полуволне входного сигнала. В базовой цепи транзистора создается переменная составляющая точка базы Iбm, которая вызывает появление переменной составляющей тока коллектора Iкm. Это вызывает перемещение рабочей точки по выходной нагрузочной характеристике вверх при положительной полуволне входного сигнала (Uвых уменьшается) и вниз при отрицательной полуволне (Uвых возрастает). Таким образом схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° (схема инвертирует входной сигнал).

Для получения минимальных искажений необходимо, чтобы рабочая точка не заходила при перемещении вверх в область нелинейных участков