Лекция 9 усилители с обратной связью
9.1. Применение в усилителях оос
ООС в усилителях нашли широкое применение для улучшения основных технических характеристик и могут быть использованы как для коррекции характеристик отдельных каскадов (местные ОС), так и всего УУ (общая ОС).
Местные ОС вводятся для снижения зависимости коэффициента усиления данного каскада от индивидуальных значений параметров УП, для направленного изменения входного и выходного сопротивлений, расширения полосы усиливаемых частот и уменьшения нелинейных искажений.
ООС, охватывающие два и большее число каскадов с резистивно-емкостной и (или) непосредственной связью, осуществляются по схемам, показанным на рис. 9.1, а, а охватывающие три или большее нечетное число каскадов – по схемам, показанным на рис. 9.2, б.
Рис. 9.1. Схемы ООС в многокаскадных усилителях.
Местные ОС, охватывающие 1-2 каскада, как правило, безопасны с точки зрения устойчивости усилителя, но уже при охвате ОС трех каскадов могут возникать сильные искажения формы частотной характеристики и наступать условия самовозбуждения усилителя. Еще серьезнее становится проблема устойчивости при введении общей петли ООС, охватывающей многокаскадный усилитель. В то же время общая ОС при равном проигрыше в усилении может быть значительно глубже и, следовательно, эффективнее нескольких местных. Поэтому, несмотря на усложнение техники расчета и налаживания УУ, часто стремятся охватить весь усилитель общей петлей ООС.
При эскизном проектировании усилителя с общей ООС следует заранее выбрать желаемую ее глубину γ и с учетом корректирующего действия ОС сразу же пересчитать все заданные на УУ требования применительно к собственно усилителю без цепи ОС. Такой пересчет осуществляют, в частности, на основании соотношений
;
;
,
где заданные значения коэффициента усиления по э.д.с., коэффициентов частотных и нелинейных искажений подставляются в качестве KEос, Mос, Kг.ос. Лишь после этого производится распределение усиления и допустимых искажений по блокам и отдельным каскадам усиления.
Особую специфику приобретает задача распределения частотных искажений по каскадам. Для обеспечения устойчивости сдвиг фаз петлевого коэффициента усиления Kβ на частоте среза (при Kβ=1) должен быть меньше 180°. Обычно этого добиваются выбором формы АЧХ петлевого коэффициента усиления по типу показанной на рис. 9.2. При синтезе такой АЧХ вместо коэффициентов частотных искажений Mнi и Mвi на граничных частотах ωн и ωв удобнее пользоваться частотами сопряжения
;
,
которые вводятся для отдельных каскадов в целом, а для каждой элементарной фазосдвигающей низкочастотной (ωнi) и высокочастотной (ωвi) цепи и связаны простыми соотношениями с постоянными времени этих цепей: τнi=1/ωнi; τвi=1/ωвi.
Рис. 9.2. АЧХ петлевого коэффициента усиления, гарантирующая устойчивость.
Из общего числа nн низкочастотных постоянных времени только две выбираются соответствующими частоте сопряжения ω1н (рис. 9.2), которая определяет нижнюю граничную частоту усилителя с разомкнутой петлей ОС, а для nн–2 остальных НЧ цепей выбирают намного большие постоянные времени, соответствующие частоте сопряжения ω4н, на которой петлевое усиление Kβ<1. Тогда в полосе частот ω4н…ω1н наклон АЧХ составит около 12 дБ/окт, а сдвиг фаз – около 180°. Для создания запаса устойчивости достаточно ввести одну корректирующую цепочку, которая уменьшит наклон АЧХ в районе частоты среза (в полосе ω3н…ω2н на рис. 9.2) до 6 дБ/окт. Такую цепочку (рис. 9.3, а) можно включить в цепь ОС, причем две ее частоты сопряжения должны соответствовать значениям ω2н и ω3н, симметричным относительно нижней частоты среза ωн.ср.
Рис. 9.3. Цепи фазовой коррекции.
Аналогично синтезируется нужная форма АЧХ в области ВЧ. Только для двух из общего числа nв ВЧ постоянных времени выбирается τвi=1/ω1в, а для nн–2 остальных значительно меньше: τвi=1/ω4в. ВЧ корректирующая цепочка, уменьшающая наклон АЧХ в районе верхней частоты среза ωв.ср, выполняется по схеме, показанной на рис. 9.3, б. Таким образом, полная схема цепи ОС с двумя корректирующими цепочками принимает вид, как показано на рис. 9.3, в.
Частоты сопряжения ω4н и ω4в должны тем более отстоять от частот ω1н и ω1в, чем глубже общая ОС и чем больше в усилителе фазосдвигающих цепей, т.к. каждая цепь с ωвi=ω4н и ωвi=ω4в вносит, хотя и небольшой, добавочный сдвиг фаз на частотах среза и уменьшает запас по фазе.
Для того, чтобы при возможных отклонениях параметров устройства от расчетных, в частности из-за нестабильности коэффициента усиления собственно усилителя, не была потеряна устойчивость, наряду с общей петлей ОС могут потребоваться и местные ООС в отдельных каскадах или группах каскадов, а также достаточная протяженность участков АЧХ с наклоном 6 дБ/окт (1-2 октавы).
Теоретические соотношения, используемые при расчетах усилителей с глубокой общей ОС, и дополнительные сопряжения по рациональному проектированию таких устройств содержатся в [?, ?]. Следует, однако помнить, что приближенный характер эквивалентных схем, в особенности транзисторов и трансформаторов, по которым определяется число элементарных фазосдвигающих цепочек, наличие паразитных связей и используемое в теории предположение об однонаправленности звеньев, образующих УУ, могут делать теоретические расчеты не вполне строгими и приводить к необходимости дополнительной экспериментальной настройки схем коррекции с целью достижения желаемой устойчивости.