22. Влияние цепей обратных связей на основные характеристики усилителя.

Обратная связь, в особенности отрицательная, оказывает значительное воздействие практически на все основные параметры усилителя, существенно улучшая его свойства. Отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления усилителя, а положительная увеличивает.

Коэффициент усиления. Под действием различных внешних факторов , а также за счет временного дрейфа параметров и старения элементов усилителя значение коэффициента усиления может изменяться. Величина этого изменения оценивается коэффициентом нестабильности, который представляет собой дифференциальный параметр и учитывает влияние всех факторов. Для усилителя без обратной связи он может быть найден как:

Если в усилителе имеется отрицательная обратная связь, то:

откуда можно получить:

и умножив левую и правую часть на К:

Тогда:

Отношение:

показывает, что относительное изменение коэффициента усиления при наличии отрицательной обратной связи в раз меньше , чем без обратной связи. Таким образом, отрицательная обратная связь оказывает стабилизирующее действие на работу усилителя, причем это воздействие тем выше, чем больше глубина обратной связи. Особо следует отметить случай, когда и ,т.е. коэффициент усиления не зависит от изменения параметров самого усилителя и определяется только глубиной обратной связи. Это обусловлено тем, что любое изменение коэффициента усиления сразу вызывает изменение UОС, знак которого противоположен входному напряжению. Изменение UOC происходит до тех пор, пока выходное напряжение не вернется к исходному значению, т.е. происходит его эффективная стабилизация.

Полоса пропускания. За счет повышения стабильности коэффициента усиления "завалы" АЧХ в области низких и высоких частот будут значительно ослаблены. Это хорошо видно из рис. 1.9, где приведены АЧХ усилителя без обратной связи и при наличии ООС. Введение отрицательной обратной связи приводит к расширению полосы пропускания а также уменьшает частотные и фазовые искажения в раз:

при этом АЧХ становится более равномерной. Следует отметить, что введения в контур обратной связи частотно-зависимых звеньев можно добиться эффективной коррекции формы АЧХ.

Рисунок 1.9 – Влияние ООС на АЧХ усилителя

Входное сопротивление. Рассмотрим усилитель с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 – Усилитель с ООС по напряжению

Входное сопротивление усилителя с ООС может быть найдено как:

Входное сопротивление без обратной связи равно:

поэтому: т.е. наличие последовательной отрицательной обратной связи по напряжению повышает входное сопротивление усилителя. при наличии параллельной ОС происходит снижение входного сопротивления за счет увеличения входного тока.

Выходное сопротивление. Выходное сопротивление усилителя без ОС

При наличии обратной связи выходное сопротивление:

Таким образом, ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя. Напротив, при наличии ООС по току выходное сопротивление может быть найдено как:

т.е. возрастает. Следует отметить ,что при определенных фазовых и амплитудных соотношениях в усилителе за счет отрицательной обратной связи могут возникать неустойчивые режимы работы.

23. Классы работ усилительных устройств.

Понятие режима работы или класса усилителя определяется соотношением анодного тока покоя к величине тока сигнала и формой анодного тока.

Режим класса А

При этом режиме величина анодного тока покоя всегда задается такой, чтобы даже при минимально возможном значении входного сигнала (а также и при его отсутствии) анодный ток не снижался до нулевого значения. Иными словами, лампа, работающая в классе А, никогда не запирается. Если на вход (управляющую сетку) такого каскада усиления будет подано синусоидальное напряжение, форма анодного тока также будет синусоидальной. Режим класса А характеризуется наилучшей линейностью усиления, однако по энергетической эффективности он самый плохой. Теоретическое значение максимального КПД при синусоидальной форме выходного сигнала в режиме класса А равно 50%.

Режим класса В

В этом режиме ток покоя равен нулю, а сам анодный ток протекает только при действии положительной полуволны входного сигнала. Таким образом, лампа заперта в период действия отрицательной полуволны входного сигнала. Так как входной сигнал фактически претерпевает однополупериодное выпрямление, в сигнале возникают существенные искажения в виде гармоник. Для решения данной проблемы приходится принимать дополнительные меры (применение двухтактных схем усиления). Однако, в режиме класса В анодный ток существует при любом значении амплитуды входного сигнала, что не нарушает линейности амплитудно-амплитудной характеристики усилителя. Теоретическое значение максимального КПД (при полном использовании лампы по напряжению и току, что на практике недостижимо) при синусоидальной форме выходного сигнала в случае двухтактного усилителя класса В составляет 78,5%. Это напрямую связано с отсутствием тока покоя.

Режим класса С

В режиме класса С время протекания анодного тока меньше времени действия положительной полуволны входного сигнала. Данный метод используется только в ВЧ усилителях радиопередатчиков, в которых могут использоваться резонансные методы восстановления основной гармоники сигнала. Это режим характеризуется гораздо более высокими значениями КПД и уровнем искажений по сравнению с применяемым в усилителях режимом класса В.

Угол отсечки. Режим класса АВ

Для характеристики длительности той части полупериода, в течение которой протекает анодный ток, радиоинженеры используют термины угловая длительность импульса и угол отсечки. Под угловой длительностью импульса тока понимается часть периода (выраженная в радианах), в течение которой существует анодный ток. Под углом отсечки понимается половинное значение этой длительности. Используя данный термины, и учитывая, что полный период гармонических колебаний равен 360°, можно сказать, что для усилителей класса А длительность импульса тока равна целому периоду (ток непрерывен), а угол отсечки равен 180°. Для усилителей класса В угол отсечки составит 90°, а для усилителей класса С он составляет менее 90°.

Так как переходная область между классом А и классом В в их чистом виде достаточно обширна, то ввели промежуточный класс усилителей, известный как режим класса АВ, где анодный ток существует более полупериода, а угол отсечки превышает 90°, но не достигает 180°.

Режимы классов АВ1 и АВ2

В аудиотехнике, как правило, вводят дополнительную классификацию режимов АВ, опираясь на наличие или отсутствие тока управляющей сетки.

Режимом АВ1 считается режим класса АВ, при котором ток управляющей сетки не существует. Большая часть мощных (свыше 50 Вт) классических усилителей представляют собой двухтактные усилители класса АВ 1.

24. Принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ. Основные параметры.

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере схемы рис. 2.4, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент — транзистор Т и резистор Rн„. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе Rv создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор Ср2 передается на выход каскада — в цепь нагрузки.

Важными показателями каскада являются его коэффициенты усиления по току KI, напряжению Кu и мощности KP , а также входное RВХ и выходное Rвых сопротивления.

24. Принцип работы усилительного каскада с оэ. Основные параметры

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

• В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

• В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)

  • Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_v создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор С_р2 передается на выход каскада — в цепь нагрузки.

 Важными показателями каскада являются его коэффициенты усиления по току K_I, напряжению Кu и мощности K_P , а также входное R_ВХ и выходное R_выхсопротивления.

Важнейший параметр — коэффициент усиления каскада

К = U_mвых/U_mвх = U_mR/U_mg.

Параметром усилительного каскада является также его коэффициент полезного действия.Принято рассматривать КПД по анодной цепи, равный отношению полезной мощности Р_вых к мощности постоянного тока Р₀, подводимой от источника напряжения E_а:

η = Р_вых / Р₀ 

25. Дреф нуля. Методы стабилизации рабочей точки

Дрейф нуля- изменение Uвых или I усилителя несвязанная с воздействием входного сигнала,а обусловлено изменением режимов работы элементов из-за внешних дестабилизирующих факторов.

К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля относятся:  ¨ нестабильность источников питания;  ¨ временная нестабильность ("старение") параметров транзисторов и резисторов;  ¨ температурная нестабильность параметров транзисторов и резисторов;  ¨ низкочастотные шумы;  ¨ помехи и наводки.  Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Положение усугубляется наличием гальванической связи между каскадами, хорошо передающей медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования температурных нестабильностей каскадов от входа к выходу.  С целью снижения дрейфа нуля используются:  ¨ глубокие ООС;  ¨ термокомпенсирующие элементы;  ¨ преобразование постоянного тока в переменный, его усиление и последующее детектирование;  ¨ построение УПТ по балансной схеме.

Методы стабилизации рабочей точки:

1. Метод термокомпинсации: Внешними решениями стараются исключить воздействие на усилительный каскад нежелательных возмущений (под возмущением понимается температура)

2. Метод параметрической стабилизации: Базируется на использовании усилителя специальных элементов характеристики которых зависят от внешних воздействий, т. о, что изменения параметров этих элементов должно компенсировать изменения транзисторного каскада.

3. Введени цепи с ООС:Отрица́тельная обра́тная связь(ООС)— тип обратной связи, при которой выходной сигнал передается обратно на вход для погашения части входного сигнала, (то-есть, изменяя входной сигнал таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала).

Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой от внишних помех