5.5 Стійкість пристрою зі зворотним зв’язком

Питання стійкості та використання різних критеріїв щодо її оцінки є основним у схемотехнічних дисциплінах при розгляді питань проектування аналогових і цифрових пристроїв. Нагадаємо, що пристрій самозбуджується, якщо для деякої частоти виконується умова балансу фаз та балансу амплітуд.

Стійкість аналогових електронних пристроїв зручно оцінювати, використовуючи критерій Найквіста, згідно з яким пристрій стійкий під час замкнення кола зворотного зв’язку, якщо годограф розімкненого кола зворотного зв’язку при зміні частоти від 0 до не охоплює точки –1; пристрій не­стійкий, якщо годограф вищезгаданого кола охоплює точку –1 (рис. 5.7).

Рисунок 5.7 – Годографи підсилювачів з різними глибинами зворотного зв’язку

Годограф 2 відрізняється від годографа 1 тільки більшим добут­ком , маючи однакову частотну залежність. Отже, глибину зворот­ного зв’язкунеможливо вибирати довільно, намагаючись здобути необхідний ефект дії ВЗЗ. Вибір надто великої глибиниможе призвести до того, що пристрій буде мати необхідні властивос­ті у робочій ділянці частот, але стане нестійким за її межами. Отже, використання зворотного зв’язку завади, вимагає перевірки стійкості пристрою у межах зміни частоти від нуля до нескінченності.

5.6 Запитання та завдання для самоконтролю

1. Нарисуйте структурні схеми каскаду охопленого зворотним зв’язком: а) паралельним по напрузі; б) паралельним по струму; в) послідовним по напрузі; г) послідовним по струму. Поясніть фізичний зміст наведених на рисунку позначок.

2. Дайте визначення петлевому підсиленню.

3. Що називається глибиною зворотного зв’язку?

4. Поясніть вплив зворотного зв’язку на коефіцієнт підсилення та частотні характеристики каскадів.

5. Поясніть вплив паралельного від’ємного зворотного зв’язку а) по напрузі та б) по струму на величину вхідного (вихідного) опору.

6. Поясніть вплив послідовного від’ємного зворотного зв’язку а) по напрузі та б) по струму на величину вхідного (вихідного) опору.

7. Як оцінюється нестабільність коефіцієнта підсилення каскаду?

8. Визначте частотні спотворення підсилювача з ВЗЗ, послідов­ним за струмом, якщо коефіцієнт підсилення підсилювача без ВЗЗ (за напругою), напруга на вході підсилювача дорівнює 0,12 В, напруга на виході кола ВЗЗ – 0,2 В. Коефіцієнт підсилення підсилювача без ВЗЗ(на нижній частоті).

9. Сформулюйте критерій Найквіста оцінки стікості пристрою до самозбудження.

Література [1, 6, 17-25]

6 Забезпечення та стабілізація режиму в каскадах аналогових пристроїв

Властивості уніполярних активних елементів, як і біполярних, визначаються їх вхідними та прохідними характеристиками.

6.1 Кола живлення каскадів на уніполярних транзисторах

Кола живлення, що забезпечують функціонування каскадів на польових транзисторах Зазначимо, що уніполярні транзистори бувають трьох типів: польові (ПТ) з керованим p–n–переходом та метал–діелектрик–напівпровідник (МДН) з вбудованим та індукованим каналом. Робочу точку ПТ, як правило, вибирають у центрі лінійної ділянки відповідної характеристики, яка визначається напругою на затворі , струмом стокута напругою на стоці(рис. 6.1). Такий вибір положення робочої точки дозволяє здобути змінну складову струму стоку найбільшої амплітуди з малими створеннями форми підсилювано­го коливання.

Рисунок 6.1 – Прохідна (а) і вихідна (б) польового транзистора та його опзначення на електрична схемах (в)

Найпростіший резистивний підсилювальний каскад становить со­бою транзистор, у вихідне коло якого ввімкнено резистор навантажен­ня у коло затвора — необхідну напругу зміщенняза допомогою спеціального джерела, а у вихідне коло — джерело живлення, яке забезпечує необхідну напругу на ділянці стік–витік (рис. 6.2).

.

Рисунок 6.2 – Еквівалентна схема живлення резистивного підсилювача на польовому транзисторі за допомогою двох джерел постійної напруги

Проте така схема живлення на практиці використовується рідко, значно частіше використовується схема автоматичного зміщення (рис. 6.3, б). Для вхідного кола цієї схеми можна записати

,

де та.

Рисунок 6.3 – Схеми живлення з автоматичним зміщенням підсилювачів на польових транзисторів

Тоді, коли , що дійсно має місце для польового тран­зистора, маємо

, звідки .

Для розрахунків вважаємо . Якщо, слід використовувати схему без(рис. 6.3, в). При цьому резисторзабезпечує нульовий потенціал затвора. Конденсаторзабезпечує поділ змінних і сталих складових струму. Конденсаторпотрібний для виключення впливу послідовного за змінним струмом ВЗЗ через резистор.

Вивчаючи схеми підсилювальних каскадів на МДН–транзисторах з вбудованим каналом, слід пам'ятати, що вони можуть працювати з негативною, позитивного та нульовою напругою на затворі (рис. 6.4). Нагадаємо, що перший режим для транзисторів з n–каналом називає­ться режимом збіднення, а другий – збагачення; для транзисторів з p–каналом, навпаки. У разі забезпечення режиму збіднення, коли характеристики транзисторів збігаються з характеристиками транзисто­рів з керівним р–n–переходом, може бути застосована схема з ав­томатичним зміщенням (рис. 6.5, а). Під час забезпечення режиму зба­гачення потрібно використовувати схему з подільником напруги у за­творному колі (рис. 6.5, б), де напруга переходу затвор–витік , у свою чергу ,, де— струм подільника. Для збереження позитивних якостей МДН–транзистора та його великого вхідного опору значення резисторів подільникатамають бути вибрані так, щоб виключити можливість шунтування подільником вхідного коло транзистора, або виходячи з вимог необхідного значення вхідного опору каскаду.

Рисунок 6.4 – Прохідні характеристики МДН-транзисторів з вбудованим та індукованим каналами

Для забезпечення режиму МДН–транзисторів з індукованим каналом повинна використовуватись тільки схема з подільником напруги (рис. 6.5, б). Вимоги до вибору елементів схеми збігаються з вимога­ми до МДН–транзистора з вбудованим каналом.

Рисунок 6.5 – Схеми живлення МДН-транзисторів у режимах збідення (а)

та збагачення (б)

Аналізуючи схеми автоматичного зміщення та з подільником напруги, треба відзначити, що остання є універсальною, бо може за­безпечити роботу транзистора при позитивній, негативній на нульовій напрузі на ділянці затвор–витік, для чого необхідно відповідно ви­брати потенціал точок та. Але в деяких випадках ця схема не є оптимальною щодо кількості елементів, тобто резисторів.