- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
Подводя итог полученным в предыдущих разделах результатам, можно отметить, что в случае небольших фазовых сдвигов в петле отрицательная обратная связь обладает эффективным стабилизирующим и линеаризующим свойством, приводит к существенному уменьшению всех видов искажений, позволяет в необходимую сторону изменять значения входного и выходного сопротивления. Практически все полезные эффекты ООС оказываются пропорциональными глубине обратной связи F=1+K.
Поскольку в случае пассивной цепи обратной связи, которая в основном используется при построении стабильных усилительных устройств, 1, то увеличение глубины ООС возможно лишь за счет увеличения усиления исходного усилителяК, что достигается введением большого числа последовательно включенных усилительных каскадов.
Кроме значительного усложнения схемы, большое число каскадов приводит к увеличению фазового сдвига в петле обратной связи, что, помимо снижения эффективности ООС, может привести при определенных условиях к такому нежелательному явлению, как паразитная генерация.
Паразитная генерация – это появление на выходе усилителя сигнала, параметры которого не зависят от входного сигнала, т. е. сигнал паразитной генерации может возникнуть и при отсутствии входного сигнала. Физически явление паразитной генерации возникает за счет передачи энергии с выхода усилителя через цепь обратной связи к его управляющим зажимам, т. е. характерно именно для систем с обратной связью. Обычно напряжение паразитной генерации значительно больше уровня собственных шумов, что практически исключает нормальное функционирование усилительного устройства. При наличии паразитной генерации усилитель называется неустойчивым.
Обеспечение устойчивости является в большинстве случаев наиболее сложной проблемой, решаемой в процессе проектирования усилителей с глубокой ООС.
Поскольку паразитная генерация определяется внутренними процессами, происходящими в усилителе, то об устойчивости судят по виду решения линеаризованного дифференциального уравнения с нулевой правой частью (т. е. при отсутствии внешнего возмущения) – характеристического уравнения, которое определяется знаменателем передаточной функции Kос(р) или комплексного коэффициента передачи Kос(j). Для усилителя с ООС
и характеристическое уравнение усилителя с ООС имеет вид
[1 + K(p) (p)] = [1 + T(p)] = 0.
Решение такого уравнения ищется в виде
,
где U(0) – начальное условие; pi – корни характеристического уравнения.
Корни могут быть чисто вещественными (рi = i) или комплексно сопряженными (рi = i j).
Очевидно, что если характеристическое уравнение имеет хотя бы один корень (простой или комплексно сопряженную пару) с положительной вещественной частью
> 0,
то решение характеристического уравнения будет иметь одно слагаемое с нарастающим во времени коэффициентом
U(0)eit,
что и свидетельствует о неустойчивости усилителя. Таким образом, основным аналитическим признаком неустойчивости усилителя является наличие хотя бы одного корня характеристического уравнения с положительной вещественной частью.
Существуют различные признаки, позволяющие определить вид корней без решения характеристического уравнения. Такие признаки называются критериями устойчивости. Разработано большое число критериев.
Применительно к усилителям наибольшее распространение получил частотный критерий (критерий Найквиста), который позволяет судить об устойчивости по виду годографа АФЧХ петлевого усиления Т(j).
Годограф– это геометрическое место точек, описываемое концом вектора Т(j) комплексной плоскости при изменении частоты от 0 до . Каждой частоте внутри этого диапазона соответствует вектор, длина которого равна модулю, а угол поворота – фазе петлевого усиления (рис. 5.17).
Согласно частотному критерию, приводимому здесь без доказательств, усилитель будет устойчив, если годограф петлевого усиления T(j) не охватывает точку с координатами [–1, j0].
На рис. 5.18, 5.19 показаны годографы устойчивых усилителей, а на рис. 5.20 – неустойчивого.
Для практически наиболее часто применяемых усилителей с годографом, имеющим вид, изображенный на рис. 5.18 (с одним переходом фазы через 180), частотный критерий означает, что на частоте, где фаза петлевого усиления достигает 180, модуль петлевого усиления должен быть меньше единицы.
|
|
|
Рис. 5.18. Годограф устойчивой системы |
Рис. 5.19. Годограф системы, устойчивой по Найквисту |
Рис. 5.20. Годограф неустойчивой системы |
На рис. 5.21 и 5.22 приведены ЛАЧХ (АЧХ в логарифмическом масштабе) и ФЧХ соответственно для устойчивого и неустойчивого усилителей. При рассмотрении ЛАЧХ нужно иметь в виду, что lg(Т=1)=0. Основным достоинством частотного критерия является возможность определения устойчивости по экспериментально снятыми ЛАЧХ и ФЧХ для разомкнутой петли обратной связи.
|
|
Рис. 5.21. ЛАЧХ и ФЧХ устойчивой системы |
Рис. 5.22. ЛАЧХ и ФЧХ неустойчивой системы |
Современные усилители, особенно в микросхемном исполнении, обладают столь сложной структурой, что получить сколько-нибудь точное аналитическое описание ее практически не удается; именно в этих условиях частотный метод определения устойчивости приобретает важное значение.
Сигнал на выходе неустойчивого усилителя может принимать большие значения, при которых усилитель оказывается в нелинейном режиме, когда усилительные элементы выходного каскада оказываются неуправляемыми и через них может протекать настолько большой ток, что элемент выйдет из строя. Частотный же критерий позволяет определить устойчивость усилителя при разомкнутой петле обратной связи, когда система устойчива, что также подчеркивает его достоинство.