5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя

Очевидно, что простой констатацией факта неустойчивости проектирование усилителя с ООС не может закончиться.

Устойчивость достигается коррекцией исходной частотной характеристики. Как будет показано далее, коррекция сопровождается значительным сужением исходной полосы рабочих частот. В специальной литературе определен оптимальный вид скорректированной ЛАЧХ, при которой достигается минимально возможное сужение исходной полосы частот. Однако для реализации оптимальной коррекции требуются сложные RLC-цепи с большим числом элементов. Поэтому на практике, особенно в случае усилителей в микросхемном исполнении, применяются простейшие корректирующие цепи RC-типа.

Простейшая коррекция достигается искусственным увеличением постоянной времени одного или двух каскадов путем, например, подключения к его выходным зажимам конденсатора определенной емкости. Увеличение постоянной времени приводит к уменьшению частоты среза и, как следствие, к более раннему спаду коэффициента усиления данного каскада и петлевого усиления в целом. Корректирующая емкость подбирается с таким расчетом, чтобы на частоте, где фаза достигает 180, петлевое усиление успело снизиться до значения меньше единицы. На рис. 5.23 приведен пример такой коррекции. Пунктиром изображены исходные ЛАЧХ одного каскада (К₁), петлевого усиления Т и ФЧХ петлевого усиления. Как видно, исходный усилитель является неустойчивым, поскольку на частоте f₁, где Т = 1, фаза больше 180.

Сплошными линиями изображены ЛАЧХ каскада К₁ после его коррекции, а также ЛАЧХ и ФЧХ петлевого усиления с учетом коррекции К₁. Усилитель стал устойчивым, поскольку на новой частоте единичного петлевого усиления f ʹ₁ фаза стала меньше 180. Наклон ЛАЧХ в 6 дБ/окт. обозначен на рис. 5.23 как n=1, в 18 дБ/окт. – n = 3.

Хорошо видно, что устойчивость путем простейшей коррекции достигнута за счет значительного сужения рабочей полосы частот.

Рис. 5.23. Исходные (пунктир) и скорректированные ЛАЧХ φ_T

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое обратная связь? По каким причинам она возникает в усилителе?

2. Составьте структурные схемы усилителей с обратной связью:

а) последовательной по напряжению;

б) последовательной по току;

в) параллельной по напряжению;

г) однопетлевой;

д) многопетлевой.

3. Укажите вид обратной связи [(для случаев а) и в)] в вопросе №2, если сдвиг фаз между входным напряжением и напряжением обратной связи равен: а) 0; б) 100; в) 180; г) 270; д) 360.

4. Имеется усилитель со следующими параметрами: R_вх=2 кОм, R_вых = 1 кОм, R_н = 1 кОм, К_хх = 1000. Используя ООС, постройте усилитель, у которого R_вх.св = 200 кОм. Рассчитайте его выходное сопротивление и коэффициент усиления.

5. Что такое устойчивость усилителя? Какие методы определения устойчивости вы знаете?

5.3. Принципы построения усилительных каскадов

5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя

В силу нелинейности усилительных элементов для получения оптимальных характеристик усиления необходимо каждому усилительному элементу задать режим покоя. Режим покоя характеризуется токами, протекающими через усилительный элемент, и напряжениями, действующими между его электродами при отсутствии входного сигнала. На входных (проходных) и выходных ВАХ усилительного элемента режим покоя определяется рабочей точкой. Так как характеристики и параметры полупроводниковых усилительных элементов имеют большой разброс и сильно зависят от температуры, то необходимо не только задать начальный режим, но и застабилизировать его.

Цепи задания и стабилизации режима покоя являются обязательными элементами любого усилителя.

Начальный режим работы определяется видом входного сигнала – разнополярный, однополярный (положительный, отрицательный); необходимой амплитудой выходного сигнала, экономичностью (КПД); допустимыми искажениями. В линейных усилителях используют следующие режимы (классы) работы активных элементов: А, В, АВ.

Класс А – режим, когда ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение всего периода входного сигнала. Обязательно используется при разнополярных входных сигналах и одном активном элементе. Характеризуется сравнительно низким КПД и малыми нелинейными искажениями.

Класс В – режим работы активного элемента, при котором выходной ток протекает в течение половины периода входного сигнала. Характеризуется высоким КПД, но большими искажениями сигнала. Используют для усиления однополярных сигналов и при построении специальных двухтактных усилителей, для которых необходимо минимум два активных элемента.

Класс АВ – выходной ток протекает больше чем полпериода, но меньше периода действия входного сигнала. Для усиления разнополярных сигналов необходимы два активных элемента. КПД больше, чем в классе А, но меньше, чем в классе В. Искажения значительно меньше, чем в классе В.

На рис. 5.24, а, б, в приведены проходные характеристики активного элемента, показано положение рабочей точки и протекание выходных токов за период действия входного сигнала.

а б

в

Рис. 5.24. Проходные характеристики активного элемента:

а – класс В; б – класс А; в – класс АВ

Как видно из рис. 5.24, чтобы задать рабочую точку надо во входной цепи усилительного элемента задать постоянное напряжение. Если во входной цепи протекает ток, как у биполярного транзистора, можно задать ток, используя, например, источник питания, энергия которого преобразуется в выходной сигнал или дополнительный вспомогательный источник. На практике стараются обойтись минимальным количеством источников питания.

На рис. 5.25 приведена схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с рабочей точкой, заданной током базы I_б^А (см. рис. 5.25, а) и напряжением U_бэ^А (см. рис. 5.25, б).

а б

Рис. 5.25. Схемы задания рабочей точки каскада на биполярном транзисторе:

а – током базы; б – напряжением база-эмиттер

В первом случае , так какЕ_п >> U_бэ^А, то от транзистора независит.

Во втором случае, если I_д >> I_б^А, то U_бэ^А = I_д  R₁ определяется внешней цепью и от транзистора не зависит.

При использовании полевых транзисторов ток затвора практически равен нулю и надо задавать напряжение затвор-исток (U_ЗИ^А). Полярность (относительно истока) и величина определяются типом транзистора и необходимым током стока в рабочей точке (I_С^А).

На рис. 5.26 приведены схемы каскадов на полевых транзисторах разных типов с n-каналом. На рис. 4.23, а, 4.30, а, б показаны проходные характеристики транзисторов, на которых обозначены положения рабочей точки (А). Если рассмотреть входную цепь приведенных каскадов, то можно записать следующие уравнения:

а) U_RЗ + U_ЗИ + U_Rи = 0, так как U_RЗ = 0, то U_ЗИ = –U_Rи.

б) U_RЗ + U_ЗИ = 0, U_RЗ = 0, то U_ЗИ = 0.

в) U_R1 – U_ЗИ = 0, U_ЗИ = U_R1 = I_д  R₁.

Параметры выходного сигнала зависят от положения рабочей точки на выходных характеристиках усилительного элемента.

На рис. 5.27 приведены выходные характеристики биполярного транзистора и на них построена нагрузочная прямая усилительного каскада (рис. 5.25), которая строится, исходя из уравнений для выходной цепи:

I_К  R_Н + U_КЭ = Е_П;

I_К = 0, U_КЭ = Е_П;

I_К = Е_П/R_Н, U_КЭ = 0.

а б

в

Рис. 5.26. Схемы задания рабочей точки в каскадах на полевых транзисторах:

а – транзистор с управляющим p-n-переходом; б – транзистор с обеднением;

в – транзистор с обогащением

Из рис. 5.27 видно, что максимальная амплитуда выходного напряжения и тока, а соответственно, выходная мощность (P_н) и КПД зависят от положения рабочей точки. Таким образом, выбор рабочей точки во многом определяют характеристики усилительного каскада. Как видно из рис. 5.27, если начальный режим работы по каким-либо причинам изменится, то это может существенно изменить свойства усилителя. Поэтому второй важной задачей, при построении усилительных каскадов, является стабилизация начального режима работы.

Стабилизация режима покоя может осуществляться или с помощью термочувствительных элементов, или введением отрицательной обратной связи. Первый способ требует индивидуальной настройки, поэтому чаще используется ООС. В усилительных каскадах используют ООС по току (см. рис 5.28, а) или по напряжению (см. рис. 5.28, б). В однокаскадных усилителях чаще используют обратную связь по току. Стабилизация происходит следующим образом:

U_БЭ^А = U_R1 – U_Rэ = I_д  R₁ – I_Э  R_Э.

Если U_R1 мало зависит от токов транзистора, то при увеличении тока I_Э уменьшается U_БЭ, уменьшается ток базы и, соответственно, ток коллектора. В результате общее изменение тока коллектора будет значительно меньше, т. е. режим покоя практически не изменится.

Введение обратной связи, кроме стабилизации, приводит к уменьшению усиления входного сигнала. Для устранения этого нежелательного эффекта приходится вводить дополнительные элементы –C_Э и С_Ф (рис. 5.28).

а б

Рис. 5.28. Схемы усилительных каскадов:

а – с ООС по току; б – с ООС по напряжению