13.1.5 Обратные связи в усилителях

Обратной связью (о.с.) в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала на его вход. Обратные связи обычно создают в усилителях специально. Обратные электрические связи, которые возникают произвольно из-за несовершенства схемы, называются паразитными. Обратные связи бывают положительными обратными связями (п.о.с.) и отрицательными обратными связями (о.о.с.). Ниже приведена схема обратной связи по напряжению:

Несмотря на снижение коэффициента усиления, обратную отрицательную связь в усилителях применяют очень часто, так как:

а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменении характеристик трансформаторов;

б) снижается уровень нелинейных искажений;

в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя.

При работе усилителя на нагрузку возникает обратная связь по выходному току, которая называется последовательной обратной связью по току.

Рисунок 13.14 – Схема последовательной обратной связи по току

Такая связь увеличивает входное и выходное сопротивления усилителя и не изменяет его коэффициента усиления по напряжению в режиме холостого хода, но уменьшает выходной ток за счет увеличения выходного сопротивления.

Перечислим некоторые виды паразитных обратных связей:

1. Паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания, устраняется применением Г-образных RC-фильтров, как при сглаживании пульсаций.

2. Ёмкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными ёмкостями между выходом и входом усилителя, устраняется рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя.

3. Магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя, устраняется рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя.

13.1.6 Усилители постоянного тока

При проведении электрических измерений в системах автоматики необходимо усиливать сигналы очень низких частот, составляющих доли герца. Для этого необходимы усилители, имеющие не изменяющуюся АЧХ до самых низких частот. Такие усилители называются усилителями постоянного тока (УПТ).

Рисунок 13.15 – Примерный вид амплитудно-частотной характеристики

усилителя постоянного тока

Другие требования к УПТ можно сформулировать следующим образом:

- при отсутствии входного сигнала не должно быть сигнала на выходе;

- изменение знака входного сигнала должно приводит к изменению знака выходного сигнала;

- напряжение нагрузки должно быть пропорционально входному напряжению.

Второе и третье требования в усилителях выполняются при работе усилителя в режиме А. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора. В УПТ это делается компенсационным методом с использованием одного или двух источников питания.

Рисунок 13.16 – Схема усилителя постоянного тока с одним источником питания (а) и

временные диаграммы его работы (б)

В УПТ существует так называемый «дрейф нуля», который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. «Дрейф нуля» связан с изменением со временем токов и напряжений на электродах транзисторов. Для борьбы с «дрейфом нуля» принимают следующие меры: стабилизируют напряжение источника питания, температурный режим и «тренируют» транзисторы; используют дифференциальные (балансные) схемы УПТ; преобразуют усиливаемое напряжение.

Дифференциальные (балансные) схемы УПТ построены по принципу четырёх плечевого моста, в котором вместо двух резисторов включают два транзистора.

Рисунок 13.17 – Схема четырёх плечевого резистивного моста

Действительно, если мост сбалансирован, то и при изменении Е_К баланс напряжений или токов не нарушается и ток в R_н равен нулю.

Рисунок 13.18 - Схемы симметричного (а) и несимметричного (б) дифференциальных

усилительных каскадов

В дифференциальном усилителе R₂ = R₃, а R_H служит для балансировки каскада (для установки нуля). Схема несимметричного дифференциального усилителя обладает большим «дрейфом» и применяется тогда, когда необходимо получить выходное напряжение относительно общего зажима.

Несимметричный усилительный каскад имеет на выходе среднюю точку делителя напряжения, чтобы обеспечить изменение полярности выходного сигнала, например, для реверса электродвигателя исполнительного устройства автоматики.

В многокаскадных усилителях для повышения коэффициента усиления первого каскада часто применяют составные транзисторы и специальные транзисторы с коэффициентом усиления 1000 ÷ 2000.

Операционным усилителем называют дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

а) – с последовательной обратной связью по напряжению; б) – с последовательной обратной связью по току; в) – с параллельной обратной связью по напряжению

Рисунок 13.19 - Структурные схемы операционных усилителей с отрицательной

обратной связью

Третий способ снижения дрейфа основан на двойном преобразовании усиливаемого напряжения:

Рисунок 13.20 - Структурная схема УПТ с преобразованием спектра сигнала

В модуляторе изменяющееся входное напряжение U_ВХ преобразуется в переменное напряжение U₁ с f = 50 – 200 МГц, которое усиливается обычным усилителем переменного напряжения (УПН). Демодулятор преобразует U₂ в U_ВЫХ, соответствующее по форме напряжению U_ВХ.

При стабилизации напряжения источника вторичного питания с погрешностью ±0,01%, температурной стабилизации с погрешностью ±1⁰С удается снизить «дрейф» усилителя до U_ДР = 5-20 мВ при t = -50 +50 ⁰С.

Рисунок 13.21 - Принципиальная схема модулятора

Рисунок 13.22 – Временная диаграмма работы модулятора

Управляющее опорное напряжение U_ОП. в виде импульсов прямоугольной формы подаётся между общим выводом 5 и управляющими выводами 2 и 6. Когда на коллекторные переходы транзисторов подаётся прямое (открывающее) переход напряжение, транзисторный прерыватель открыт и сопротивление между выводами 3 и 7 мало. Когда же на коллекторные переходы подаётся обратное напряжение, то ключ закрыт и сопротивление между выводами 3 и 7 велико.

При положительной полярности опорного напряжения U_ОП. ключ закрыт и выходное напряжение равно входному; при отрицательной полярности опорного напряжения транзисторный ключ открыт и выходное напряжение равно нулю.

Рассмотрим схему демодулятора на транзисторах.

Рисунок 13.23 - Принципиальная схема демодулятора

Рисунок 13.24 - Временная диаграмма работы демодулятора

На вход демодулятора поступают переменное модулированное напряжение U₂ и опорное напряжение U_ОП.. На резисторе R₂ напряжение состоит из однополярных импульсов, проходящих через модулятор. Выходное напряжение после резистивно-ёмкостного фильтра R_фC_ф соответствует по форме входному напряжению.

С помощью операционных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью, можно реализовать различные математические операции (суммирование, дифференцирование, интегрирование). Ниже приведены структурные схемы таких операционных усилителей.

Рисунок 13.25 - Схема суммирующего операционного усилителя

Рисунок 13.26 - Схема интегрирующего операционного усилителя

Рисунок 13.27 - Схема дифференцирующего операционного усилителя

13.1.7 Избирательные усилители

На практике часто необходимо осуществить избирательное усиление, выделяя один «полезный» сигнал из ряда входных сигналов. Причём, другие выходные сигналы одновременно необходимо ослабить. Выделение полезного сигнала происходит во всех многоканальных системах связи, в том числе при приеме радиотелевизионных программ, в системах автоматического контроля и управления. Подобное избирательное усиление производят специальными избирательными усилителями (ИУ), у которых отношение высокой и низкой частот равно:

.

Такая резкая зависимость коэффициента усиления от частоты достигается, как правило, включением специальных фильтров в цепь усилителя или в цепь обратной связи, например, RC – фильтров. При последовательном включении фильтра используются LC – фильтры, примером которого является обычный резонансный контур.

Использование RC – цепей (четырёхполюсников) основано на их свойстве формировать импульсные сигналы при соответствующем расположении интегрирующих и дифференцирующих RC – цепей. Включение этих цепей в обратную связь усилителя сужает частотный диапазон усиливаемого напряжения. Общий вид RC – фильтров показан ниже.

а), б) – Г – образные RC – цепи; в) – мост Вина; г) - двойной Т – образный мост

Рисунок 13.28 - Схемы частотно-зависимых цепей

а) б)

1 – АЧХ операционного усилителя; 2 – АЧХ обратной связи

Рисунок 13.29 - Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в

цепи отрицательной обратной связи (а) и его амплитудно-частотная

характеристика (б)

Рисунок 13.30 - Схема избирательного усилителя с интегродифференцирующей

обратной связью

Для работы на высоких частотах ИУ с RC–фильтрами непригодны из-за необходимости применять резисторы и ёмкости с низким сопротивлением и малой ёмкостью. В этом случае применяют ИУ с LC–фильтрами (резонансными контурами).

Схемы однокаскадных избирательных усилителей на транзисторах с параллельным резонансным контуром показаны ниже.

Рисунок 13.31 - Схемы однокаскадных избирательных усилителей с резонансным

контуром, включённым последовательно к источнику питания

Здесь параллельный резонансный контур включен в коллекторную цепь транзистора вместо резистора R_К (R_С)_. Назначение остальных элементов аналогично однокаскадному усилителю с общим эмиттером (истоком).

При анализе работы резонансных усилителей важную роль играет добротность

контура

Причём, чем больше добротность, тем острее пик на амплитудно-частотной характеристике резонансного контура.

Поэтому при проектировании ИУ необходимо применять контуры с большой добротностью. На частотах 50 кГц – 5 МГц могут быть выполнены контуры с добротностью Q = 50 – 200, а в случае ферритовых сердечников - с добротностью до 500.

13.1.8 Усилители мощности

Рассмотренные ранее усилители обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно превышает мощность входных сигналов. Однако для большинства из них основным показателем работы является коэффициент усиления по напряжению, а для эмиттерного (истокового) повторителя – коэффициент усиления по току. Усилительные каскады, обеспечивающие получение в нагрузочном устройстве максимальной мощности, называют усилителями мощности. Нагрузочными устройствами обычно являются электродвигатели, реле и другие элементы электрических цепей, имеющие небольшое сопротивление. Основной характеристикой работы усилителя мощности является коэффициент усиления по мощности К_p.

Получение максимальной мощности в нагрузочном устройстве возможно при условии равенства сопротивления нагрузки выходному сопротивлению усилительного каскада. Выходное сопротивление R_ВЫХ усилительных каскадов с общим эмиттером и общим истоком составляет приблизительно сотни Ом и единицы кОм, а сопротивление нагрузки намного меньше. Для согласования сопротивлений нагрузки с R_ВЫХ усилительной мощности применяют понижающие трансформаторы.

При определённом коэффициенте трансформации добиваются условия получения максимальной мощности на нагрузке. Это условие будет выполняться при

Большое значение для усилителей мощности имеет КПД, который максимален в режиме В. В режиме В возникают нелинейные искажения, которые уменьшают специальные двухтактные усилители мощности (УМ). В однотактных УМ, представляющих собой однокаскадный усилитель, применяют режим А.

Наибольшее распространение получили однотактный и двухтактный УМ, а также бестрансформаторный УМ. УМ, питаемый от источника переменного напряжения, собирают по аналогичным схемам, но они имеют особенности и рассматриваются ниже.

Двухтактный УМ состоит из двух симметричных плеч. Транзисторы подбирают с максимально близкими характеристиками, чтобы они работали в одинаковом режиме. Отличием является противофазность токов и напряжений в базовых цепях транзисторов и, обусловленная этим противофазность переменных токов и напряжений в коллекторных цепях.

Рисунок 13.32 - Схема двухтактного усилителя мощности

Входной трансформатор Тр_.ВХ обеспечивает получение двух одинаковых по модулю, но противофазных U_ВХ1и U_ВХ2. Выходной трансформатор Тр_.ВЫХ суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. Ко вторичной обмотке трансформатора Тр_.ВЫХ подключается нагрузочный резистор R_H.

Преимущества двухтактного УМ особенно ощутимы в режиме В: каждый трансформатор участвует в формировании U_ВЫХ только в течении одного полупериода. Транзисторы работают как бы поочередно, образуя гармоническое выходное напряжение из двух половинок синусоид. Напряжение на нагрузочном резисторе R_Н пропорционально магнитному потоку, определяемому магнитодвижущей силой F, поэтому напряжение на выходе усилителя также будет гармоническим.

Преимущества двухтактных усилителей мощности – это меньшие нелинейные искажения, поскольку высшие гармонические составляющие компенсируются; возможность получения высокого КПД при использовании режима В; меньшая чувствительность к пульсациям напряжения питания.

Вместе с тем двухтактным УМ присущи недостатки, обусловленные усложнением их схемы и конструкции, например, транзисторы должны иметь идентичные характеристики; наличие двух противофазных входных напряжений в выходном трансформаторе с выводом средней точки первичной обмотки.

Бестрансформаторный усилитель мощности, являющийся двухтактным усилителем, собирают из транзисторов разных типов: VТ₂ – «p–n–p» и VТ₁ – «n–p–n». Их включают по схеме с общим коллектором, так как это обеспечивает минимальное R_ВЫХ, что важно при работе на низкоомную нагрузку. Независимо от схемы включения транзисторов их характеристики должны быть идентичными.

Рисунок 13.33 - Схема бестрансформаторного усилителя мощности

С₁ разделяет по постоянному току источник сигнала и входную цепь усилителя мощности, С₂ – нагрузочный конденсатор в эмиттерных цепях транзисторов. Значение ёмкости выбирают из условия .

На базы транзисторов воздействует одно и тоже U_ВХ, однако из-за различной структуры транзисторов токи в их цепях противофазны. Сопротивление R_H подключено к общей точке транзисторов, поэтому переменные токи в нём имеют одно направление, а результирующий ток в 2 раза больше переменного тока одного транзистора. Бестрансформаторный УМ может работать как в режиме А, так и в режиме В.

Примечание.

Усилители мощности, питаемые от источника переменного

напряжения

Эти усилители используют в двух случаях:

1. Когда желательно упростить аппаратуру и осуществить питание непосредственно от сети переменного тока;

2. Когда нагрузочное устройство работает от источника с частотой питающей сети, полезный сигнал имеет ту же частоту и необходимо получить выходное напряжение с учетом фазы входного напряжения (фазочувствительный усилитель).

Усилители мощности, питаемые от источника переменного напряжения, обычно выполняет по двухтактным схемам двух видов: с синфазным и противофазным питанием транзисторов.