Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Назначение, схема структурная

Усилителем называют устройство, предназначенное для управления потоком мощности от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требуемая для управления, как правило, много меньше мощности, отдаваемой в нагрузку. 

Усилитель (рис. 7.1) имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый входной сигнал, выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку,  и источник питающего напряжения  Е.  В любом усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку. 

Рис. 1.1. Усилитель. Схема структурная

Принцип действия усилителя можно пояснить с помощью схем простейших усилительных каскадов, приведённых на рис. 1.2. Основой усилителя являются два элемента: сопротивление R_к и активный элемент АЭ (например, биполярный транзистор на рис 1.2, а или полевой транзистор – рис 1.2, б). 

Под воздействием входного сигнала Uвх изменяются входной (I_б) и выходной (Iк) токи. Выходной ток значительно превышает входной ( ). В результате, в такт с изменением входного сигнала, изменяется падение напряжения на сопротивлении R_к, а следовательно, и выходное напряжение U_вых = Е – I_к·R_к.  

При правильно спроектированном усилителе нетрудно получить U_вых  > U_вх    и Р_вых > Р_вх. 

При использовании полевого транзистора с изолированным               затвором ток от источника входного сигнала вообще не потребляется, и поэтому Р_вх = 0. 

Рис 1.2. Простейший усилитель на транзисторе:

А – биполярном; б – полевом

Очевидно, что в обоих схемах усилителя процесс усиления основан на преобразовании энергии источника питания E в энергию напряжения на нагрузке Р_вых = U _н · I _н.

Усилительный каскад на биполярных транзисторах

       1 .4.1. Режимы работы усилительного элемента в схемах усилителей

Перед тем как подавать на вход усилителя сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (режим покоя или режим по постоянному току). Начальный режим работы транзистора (или усилителя) характеризуется постоянными токами выводов транзистора и напряжений между этими выводами.

Постоянные значения тока и напряжения определяют рабочую точку (РТ) на характеристиках транзистора. В зависимости от выбранного положения рабочей точки транзистора на входной характеристике различают три основных режима работы: режимы классов               А, В и АВ (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Режимы работы транзистора в схеме усилителя

Режимы различаются по величине угла отсечки тока, протекающего через активный усилительный элемент при подаче на вход транзистора двухполярного сигнала. 

Углом отсечки называется половина времени за период, в течение которого протекает ток через усилительный элемент.

Режим класса А  характеризуется углом отсечки  180⁰. Это означает, что в режиме класса А ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода переменного тока усиливаемого сигнала, т. е. без отсечки. В этом режиме рабочая точка выбирается на линейном участке входной характеристики транзистора (например, точка А на рис. 1.5). Амплитуда входного сигнала должна быть меньше напряжения на базе в рабочей точке, чтобы при работе усилителя рабочая точка не выходила за пределы линейного участка входной характеристики. В режиме класса А искажения сигнала минимальны, но коэффициент полезного действия не превышает               30 – 45%.

Режим класса В  характеризуется углом отсечки  90⁰. Это означает, что в режиме класса В ток через усилительный элемент протекает в течение половины периода переменного тока усиливаемого сигнала. В этом режиме искажения сигнала максимальны, но коэффициент полезного действия достигает 70 %. Режим класса В используется в основном в двухтактных усилителях мощности, когда в течение одной половины периода ток протекает через один транзистор, а в течение второй половины периода – через другой транзистор.  Режим класса  АВ занимает промежуточное положение между режимами классов А и В. Угол отсечки  120 – 130⁰, коэффициент полезного действия составляет 50 – 60 %. Этот режим также, как и режим класса В, применяется в выходных каскадах усилителей мощности и операционных усилителей.

    1.4.2. Схемы усилительных каскадов на биполярных  транзистор ах

Усилительные свойства каскадов зависят от способа включения транзистора в схему. Различают три основных типа усилительных каскадов на биполярных транзисторах: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Усилительный каскад с ОЭ

Основными элементами схемы усилителя (рис. 1.6, а) являются источник питания Е, транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счёт протекания коллекторного тока, управляемого по цепи базы, создаётся усиленное переменное напряжение на выходе схемы. При отсутствии входного сигнала (U_вх = 0) транзистор находится в режиме покоя (рис. 1.6, б). В этом режиме в цепи базы и коллектора транзистора протекают постоянные токи   и   и напряжение на коллекторе транзистора   также постоянно. Точка на выходных характеристиках транзистора, соответствующая току   и напряжению , является рабочей точкой транзистора. Ток покоя базы транзистора ,  работающего в режиме класса А, обеспечивается включением резистора .  В соответствии с законом Ома значение тока базы определяется следующим выражением:

                                                                                 (1.15) 

Из этого выражения, учитывая, что   определяем требуемое значение сопротивления :

                                                                   (1.16)                                                                                                                                                                        При известном значении , ток покоя коллектора    определяется по известному соотношению:    

Конденсаторы  и   большой емкости отделяют цепь постоянного тока (цепь питания) от цепи источника сигнала и цепи приемника с сопротивлением Rн. При этом сопротивления конденсаторов   для синусоидального тока должны быть  малы.

Рис. 1.6. Усилитель с ОЭ:

Рис. 1.7. Схема усилительного каскада на транзисторе

 

С ростом температуры возрастают токи   и   транзистора и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении . Увеличение потенциала эмиттера , при постоянном , приводит к уменьшению напряжения база–эмиттер   ( ) и подзапиранию транзистора. В результате токи транзистора увеличиваются значительно меньше, чем в схеме без температурной стабилизации режима. 

Таким способом реализуется отрицательная обратная связь (ООС) по постоянному току и стабилизация режима покоя транзистора. По переменному току описанный механизм ООС отсутствует, так как параллельно резистору  включён конденсатор большой ёмкости , имеющий на частоте сигнала сопротивление Хс_Э << Rэ.

При анализе работы усилителей малых сигналов, работающих в режиме класса А, схему обычно представляют в виде наложения режима покоя  с постоянными составляющими токов базы    коллектора   и эмиттера   при действии только источника питания Е и режима малого сигнала с переменными составляющими токов базы i_б,  коллектора i_к, эмиттера i_э и нагрузки i_н при источнике сигнала с ЭДС Ес. При использовании схемы рис. 1.7 эквивалентная схема по постоянному току приведена на рис. 1.8.

Рис.1.8. Эквивалентная схема усилительного каскада по постоянному току

Полагая, что токи эмиттера и коллектора равны, найдем соотношение для расчета сопротивления нагрузки каскада для постоянного тока:

                                                      (1.18)

Для того, чтобы применить  эту формулу для расчета элементов схемы, необходимо выбрать положение рабочей точки на характеристиках транзистора.

Для выбора рабочей точки  на коллекторных характеристиках транзистора применяется метод нагрузочной прямой, иллюстрация которого показана на рис. 1.9.

Зависимость напряжения на коллекторе от величины протекающего тока определяется выражением:

                                                                   (1.19)

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии и называется нагрузочной прямой по постоянному току. Для проведения электрических расчетов нагрузочная прямая строится на выходных характеристиках транзистора, как показано на рис. 1.9, а. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: вначале полагают, что u к = 0 и находят, что i_к = Е  / (Rк + Rэ).  Затем полагают, что i_к  = 0, и находят  uк = Е. На выходных характеристиках (рис. 1.9, а) нагрузочная прямая по постоянному току обозначена точками а и б.

Наклон нагрузочной прямой зависит от сопротивления (R_к + R_э). При меньшем сопротивлении нагрузочная прямая идет более круто. В динамическом режиме, несмотря на изменение эквивалентного сопротивления нагрузки, рабочая точка должна находиться на нагрузочной прямой по постоянному току.

Эквивалентное сопротивление для переменного тока значительно меньше, чем для постоянного тока (равного Rк + Rэ). Во-первых, это связано с тем, что сопротивление цепочки Rэ || Сэ переменному току близко к нулю. Во-вторых, как будет показано ниже, по переменному току параллельно сопротивлению R_к подключается сопротивление r_кэ = 1/h_22э транзистора. Таким образом, эквивалентное сопротивление коллекторной цепи транзистора для переменного тока равно:

                                        (1.20)

Поскольку Rэкв << (Rк+ Rэ), то нагрузочная прямая по переменному току (в – г), которую называют выходной динамической характеристикой, идет значительно круче нагрузочной прямой по постоянному току и должна пересекать нагрузочную прямую по постоянному току в рабочей точке.

В качестве входной динамической характеристики выбирают характеристику, соответствующую . Ток базы в рабочей точке   определяется по известному соотношению:   и должна находиться на линейном участке, как показано на рис. 1.9, б.

                                                                                         

                                                                                   б)

                                                                    а)

Рис.   1.9. Выбор рабочей точки на статических характеристиках транзистора по методу нагрузочной прямой: а – по выходным; б – по входным характеристикам

    Исходное положение рабочей точки   выбирают исходя из заданных амплитуд выходного напряжения   и тока . При использовании маломощного транзистора значение тока   выбирают равным или близким к номинальному значению, при котором коэффициент β имеет максимальное значение (1…3 мА). При этом необходимо обеспечить выполнение неравенств:

> ; > .                             (1.21)

Эти неравенства должны выполняться с учётом того, чтобы рабочая точка не заходила в начальную нелинейную область выходных характеристик транзистора. Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности не превышали предельно допустимых значений для выбранного транзистора.

Для расчёта элементов схемы (рис. 1.5), обеспечивающих температурную стабилизацию рабочей точки транзистора, проанализируем эквивалентную схему каскада по постоянному току с учетом изменения токов транзистора под влиянием изменения температуры окружающей среды (см. рис. 1.10).  

На эквивалентной схеме источник напряжения ∆ U_эб учитывает изменение с температурой напряжения U_эб, а генераторы токов учитывают изменение с температурой тока базы Iб, неуправляемого тока коллекторного перехода I_ко и коэффициента усиления транзистора β.

 

Рис. 1.10. Эквивалентная схема транзистора для расчёта                  температурной нестабильности усилительного каскада

Поскольку сопротивление источника питания для изменяющегося, т. е. переменного, тока близко к нулю, то на схеме плюс и минус источника соединены вместе и параллельное соединение резисторов R₁ и R₂ обозначено как R_б – сопротивление в цепи базы. Из эквивалентной схемы находим:

           ΔIк = β ΔIко + Δβ(Iб + Iко) + βΔIб.                          (1.22)

Первое слагаемое отражает нестабильность неуправляемого сквозного тока коллектор-эмиттер, где β – коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ, а ΔIко – нестабильность неуправляемого тока коллекторного перехода. Второе слагаемое учитывает изменение с температурой коэффициента β, а третье – учитывает изменение тока базы Iб вследствие изменения тока Iко и коэффициента β, которое находим из эквивалентной схемы:

                          (1.23)

Величина Rэ / (R_э + R_б) показывает какая часть тока ΔIк ответвляется в цепь базы; ее обозначают символом γ_б. 

                                  (1.24)

Числитель второго слагаемого ΔUэб = -ξΔt учитывает зависимость входной характеристики транзистора от температуры, причём ξ = (1,6 – 2) мв/град. После подстановки (1.23) в выражение (1.22) и несложных преобразований с учётом (1.24), находим:

     (1.25)

Выражение в скобках представляет собой минимально возможное изменение коллекторного тока I_t, которого можно достичь в схеме с идеальной температурной стабилизацией. Выражение перед скобкой называется коэффициентом температурной нестабильности и обозначается символом S:                                                                                                                (1.26)

В схеме с идеальной температурной стабилизацией (при большой величине резистора Rэ, когда Rэ >> Rб и γ_б  = 1), S = α, а при отсутствии стабилизации (R_э = 0 и γ_б = 0), S = β. 

Таким образом, величина S изменяется в пределах (α…β). Температурная стабилизация считается хорошей при S = 3 – 4 и удовлетворительной при S  = 5 – 6.

Поскольку величина коэффициента температурной нестабильности S задана для расчёта, то из выражения (1.26) определяется величина коэффициента γ_б           .                                                                                                   (1.27)

 

Учитывая, что β << S, получаем:                                                                                                                                        (1.28)                 

После замены в соотношении (1.24) коэффициента γ _б, из соотношения (1.28) получаем очень важную формулу для расчёта отношения Rэ/Rб:

                                                                                    (1.29)                                                 

где

Воспользовавшись рекомендациями [7], можно выбрать падение напряжения на сопротивлении R_э в пределах 0,1…0,3 Е, выбрать сопротивление Rэ и вычислить R_б. При этом необходимо иметь в виду, что сопротивления делителя R₁ и R₂ рассчитываются исходя из удовлетворения противоречивых требований. С одной стороны, для улучшения температурной стабильности каскада ток через делитель надо выбирать достаточно большим (см. пункт 1.4.2), т. е. делитель должен быть достаточно низкоомным.

                                                                      (1.30)

 С другой стороны, в сопротивление делителя R_б = R₁||R₂ ответвляется часть тока источника сигнала, поэтому для уменьшения потерь мощности источника сигнала, сопротивление R_б  выбирают значительно большим, чем входное сопротивление транзистора.

                                                                 (1.31)

После расчёта делителя, удовлетворяющего этому требованию, производится проверка выполнения первого требования. Если это соотношение не выполняется, то при необходимости, следует в расчёты внести соответствующие коррективы. Определившись с величиной Rэ, из соотношения (1.18) находим сопротивление Rк, от которого во многом зависит коэффициент усиления каскада по напряжению.

Режим малого сигнала рассчитывается по схеме замещения усилительного каскада рис. 1.11, где схема замещения транзистора в системе h-параметров показана внутри штриховой линии. Из входной цепи схемы исключен источник напряжения обратной связи h_12Э·U_КЭ. ввиду малости коэффициента обратной связи (у маломощных транзисторов h_12Э = (10^-4…10^-5) Эквивалентная схема усилителя показана внутри прямоугольника, обведенного сплошной линией.

Рис. 1.11. Эквивалентная схема усилительного каскада  для малого сигнала

Входное сопротивление усилителя r _вх равно параллельному соединению R_б и h_11Э, где R_б = R₁ || R₂.

                                                                                 (1.32)

Если R_б >>h_11Э,   то r_вх = h_11Э   (1…10 кОм).

Выходное сопротивление усилителя R _ВЫХ   равно: 

                                                (1.33)

где r_кэ = 1/h_22Э (50…100) кОм.

Если r_кэ >> R_К, то r_вых = R_К.

Коэффициент усиления усилителя в режиме холостого хода Кхх (при отключенной нагрузке):

                                        (1.34)

где напряжения и токи – действующие значения.

Коэффициент усиления напряжения источника входного сигнала при подключении нагрузки (К_Н):

      (1.35)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

  где                                           (1.36)

 

Приведенным выше параметрам соответствует обобщенная схема замещения входной и выходной цепей усилительного каскада с ОЭ, приведенная на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Обобщенная схема замещения

Усилительного каскада с ОЭ

Основной недостаток усилительного каскада с ОЭ – небольшое значение входного сопротивления. Это увеличивает ток и мощность потерь источника сигнала, а также падение напряжения на его внутреннем сопротивлении.

Усилительный каскад с ОК. Усилительный каскад с ОК больше известен как эмиттерный повторитель (ЭП). Схема простейшего ЭП приведена на рис. 1.13.

   Основой схемы ЭП являются два элемента: транзистор и резистор R_э. Нетрудно убедиться, что выходной сигнал ЭП по фазе совпадает с входным сигналом, т. е. ЭП не инвертирует входной сигнал. 

Рис. 1.13. Схема эмиттерного повторителя

Напряжение переменного входного сигнала подаётся между базой и общей шиной, а выходное напряжение снимается между эмиттером и общей шиной устройства. Выходное напряжение ЭП оказывается меньше, чем входное на величину напряжения, прикладываемого между базой и эмиттером транзистора Uбэ. Поэтому напряжение на эмиттере практически повторяет напряжение на базе. Следовательно, коэффициент передачи каскада с ОК по переменному току лишь немного меньше единицы, а поскольку он не инвертирует входной сигнал, то называется эмиттерным повторителем.

    Для расчета параметров ЭП рассмотрим схему замещения на рис. 1.14 [1]. Исключим из схемы большое по сравнению с R_э сопротивление 1/h₂₂, подключенное параллельно R_э. 

Выходное напряжение в режиме холостого хода (ХХ), т. е при отключенной нагрузке Uн.х равно:

                                                                              (1.37)

По второму закону Кирхгофа для контура «1» напряжение на входе каскада в режиме ХХ Uвх равно:

                       (1.38)                                 

Из (1.38) находим основные параметры усилительного каскада с ОК. Входное сопротивление без учета шунтирующего влияния большого по величине сопротивления R_б:

                                                             (1.39)

Коэффициент передачи в режиме ХХ:

                                                             (1.40)

 

Рис. 1.14 Схема замещения усилительного каскада с ОК

Коэффициент передачи при подключенной нагрузке:

                                                                  (1.41)

где  эквивалентное сопротивление нагрузки.

Выходное сопротивление:      

                                                                                                        (1.42)

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя (10…50 Ом) значительно меньше выходного сопротивления усилительного каскада с ОЭ.

Усилительный каскад с общей базой ОБ. По сравнению с усилительным каскадом с ОЭ усилительный каскад с ОБ имеет при соизмеримом значении коэффициента усиления напряжения большее значение граничной частоты. Однако он имеет малое входное и большое выходное сопротивления. По этим  причинам усилительный каскад с ОБ применяется редко.

 

    1.4.3. Усилительные каскады на полевых транзисторах

По аналогии с усилительными каскадами на биполярных транзисторах с ОБ, ОЭ и ОК различают три типа усилительных каскадов  на полевых транзисторах: с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). 

Рис. 1.15. Схема усилительного каскада с общим истоком

Чаще других используется усилительный каскад с ОИ. Усилительный каскад с ОИ реализуется по типовой схеме, выделенной на рис. 1.15 сплошной линией, в которой назначения всех элементов аналогичны их назначениям в усилительном каскаде на биполярном транзисторе с ОЭ (см. рис. 1.7), а режиму малого сигнала соответствует обобщенная схема замещения на рис. 1.12. Основное достоинство усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ – это большое входное сопротивление (10² – 10³ кОм) при соизмеримых значениях входного сопротивления каскада с ОЭ (10 – 100 кОм) и коэффициента усиления в режиме холостого хода (10 – 100). 

Усилительный каскад с общим стоком (ОС) (рис. 1.16), называемый также истоковым повторителем, функционально подобен эмиттерному повторителю (см. рис. 1.13). 

Коэффициент усиления напряжения истокового повторителя близок к единице (К_ux = 0,8 – 0,9), выходное сопротивление                                r_вых. = 10 = 50 Ом, а входное сопротивление r_вх. = (1 – 10²) МОм (без учета шунтирующего влияния резистора Rз).

Рис. 1.16. Схема истокового повторителя

В качестве приемника энергии к выходу усилительного каскада может быть подключен тоже усилительный каскад. Их совокупность образует многокаскадный усилитель. В усилителях низких и высоких частот, а также в широкополосных и узкополосных усилителях электрическая связь между каскадами осуществляется посредством конденсаторов, а в усилителях постоянного тока – резисторами или непосредственными связями. В последнем случае любые изменения постоянного напряжения на входе одного каскада из-за нестабильности параметров транзистора при действии дестабилизирующих факторов, обычно температуры, влияют на режим работы других каскадов, что приводит к изменению напряжения на выходе многокаскадного усилителя даже при отсутствии усиливаемого сигнала. Это явление называется дрейфом нуля. Уменьшить дрейф нуля и получить другие полезные качества позволяют дифференциальные усилительные  каскады.

                                      1.4.4. Дифференциальный усилительный каскад   постоянного тока

    Наиболее распространена схема дифференциального усилительного каскада на основе моста постоянного тока (рис. 1.17, а), плечи которого образованы резисторами R_к и биполярными транзисторами одного типа проводимости. Цепи эмиттеров объединены и в них включено сопротивление R_э по величине, что очень существенно, значительно больше, чем R_к. Для лучшей балансировки моста транзисторы изготавливают по единой технологии на одном кристалле, так что их параметры отличаются на 1 – 5%. Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и два выхода. Сопротивление нагрузки обычно включается между двумя выходами.

                                                                                                                                                                     Рис. 1.17. Дифференциальный усилительный каскад:

Обратные связи в усилителях

    1.5.1. Общие положения и виды обратных связей

Введение обратной связи (ОС) призвано улучшить показатели усилителя или придать ему некоторые специфические свойства. Ранее был рассмотрен простейший вид обратной связи в одиночном усилительном каскаде на транзисторе с ОЭ (см п. 7.4), где она применялась для температурной стабилизации режима покоя транзистора. Ниже рассмотрим общие закономерности, обусловленные введением обратных связей в усилитель. В частности это необходимо для построения усилителей на операционных усилителях, являющихся основой современной элементной базы.

Обратная связь осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с его выхода. Иллюстрацией усилителя с обратной связью служит структурная схема, приведенная на рис. 1.18.

 

Рис. 1.18. Структурная схема усилителя с обратной связью

Звено обратной связи характеризуется коэффициентом передачи , показывающим какая часть  выходного сигнала (напряжения или тока) передается на вход усилителя. Коэффициент усиления   и коэффициент передачи цепи ОС  указаны на рис. 1.18 в виде комплексных значений. Это означает учет возможного фазового сдвига, возникающего на низких или высоких частотах за счет наличия как в схеме усилителя, так и в цепи ОС реактивных элементов. Если работа усилителя осуществляется в области средних частот, а в  цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то коэффициенты передачи усилителя и цепи ОС будут характеризоваться действительными значениями К и β.

В усилителях применяются различные виды обратных связей.

В зависимости от способа получения напряжения обратной связи различают ОС по напряжению, когда напряжение обратной связи Uос пропорционально величине напряжения и составляет часть Uвых. (рис. 1.19, а), и по току, когда U_ос пропорционально величине тока (рис. 1.19, б). 

Рис. 1.19. Виды обратных связей: а – последовательная обратная связь по напряжению, б – последовательная                                      обратная связь   по току

При подаче напряжения обратной связи U_ос последовательно с напряжением источника входного сигнала обратную связь называют последовательной.

Когда же напряжение обратной связи подается на вход усилителя параллельно напряжению источника входного сигнала, обратная связь является параллельной (рис. 1.20).

На рис. 1.19 и 1.20 приведены наиболее распространенные виды обратных связей. Возможны и другие виды обратных связей, например, комбинированная обратная связь, т. е. одновременно как по напряжению, так и по току.

Рис. 1.20. Виды обратных связей: параллельная обратная связь по напряжению

Воздействие обратной связи может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала на выходе усилителя. В первом случае обратную связь называют положительной, во втором – отрицательной. Отрицательная обратная связь (ООС) позволяет улучшить некоторые показатели усилителя, в связи с чем широко используется в усилителях. Положительная обратная связь (ПОС) в усилителях практически не применяется, но лежит в основе работы различного рода генераторов гармонических и импульсных сигналов.

    1.5.2. Влияние обратной связи на основные параметры усилителей

Оценку влияния обратной связи на показатели усилителей рассмотрим без учета  наличия как в схеме усилителя, так и в цепи ОС реактивных элементов, считая коэффициенты передачи усилителя К и звена обратной связи β действительными числами.

Коэффициент усиления усилителя с ООС и его стабильность

рассмотрим на примере схемы с последовательной обратной связью по напряжению рис. 1.19, а).

 Определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью       а без обратной связи – .

Найдем , полагая, что при ООС

Отсюда находим:

Таким образом, коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется следующим выражением:

                                                                            (1.48)     

Из того выражения следует, что   т. к. в знаменателе   (число положительное). Несмотря на уменьшение   по сравнению с К, коэффициент усиления усилителя с обратной связью, как будет показано ниже, является более стабильным.

Определим коэффициенты нестабильности коэффициентов усиления усилителей с обратной связью и без обратной связи, соответственно, отношениями   и . Для чего найдем , дифференцируя (1.48):

 

Коэффициент нестабильности :

 

                   

Из поученного выражения следует, что нестабильность коэффициента усиления усилителя с обратной связью в 1+ βК раз меньше нестабильности коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи, т. е. величины 1+ βК. 

При большом коэффициенте усиления К и глубокой ООС удается практически полностью исключить зависимость   от изменения параметров элементов усилителя. При этом единицей в  знаменателе выражения (1.48) можно пренебречь и коэффициент усилителя   будет определяться только коэффициентом обратной связи 1/β:

                                                                                      (1.49)

т. е. практически не будет зависеть от величины К  и его возможных изменений. 

Физический смысл повышения стабильности  заключается  в том, что, например, при снижении К вследствие изменения параметров усилителя напряжение уменьшается, следовательно уменьшается и U ос (см. рис. 1.19, а). При этом напряжение на входе усилителя   возрастает, что вызывает повышение напряжения , препятствуя тем самым уменьшению коэффициента усиления .

Входное сопротивление усилителя с обратной связью.

При последовательной ООС (рис. 1.19, а) по определению входное сопротивление усилителя с обратной связью   а без обратной связи . Учитывая, что входное напряжение , входное сопротивление        равно:

 .           (1.50)     

Таким образом, применение ООС последовательного вида увеличивает входное сопротивление усилителя в   раз, что дает возможность более эффективно усиливать сигналы маломощных источников с высоким выходным сопротивлением.

При ООС параллельного вида (рис. 1.20) входной ток   равен сумме двух составляющих:                                                                               .

Поделив токи на напряжение, получаем входную проводимость:

 .                          (1.51)

Из соотношения (1.51) следует, что входное сопротивление усилителя   равно параллельному соединению   и , т. е. оно уменьшается.

Таким образом, входное сопротивление усилителя с обратной связью зависит от способа подачи напряжения обратной связи         на вход усилителя и ее глубины, но не зависит от способа его  получения.

Рис. 1.21. Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику.

 

Назначение, схема структурная

Усилителем называют устройство, предназначенное для управления потоком мощности от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требуемая для управления, как правило, много меньше мощности, отдаваемой в нагрузку. 

Усилитель (рис. 7.1) имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый входной сигнал, выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку,  и источник питающего напряжения  Е.  В любом усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку. 

Рис. 1.1. Усилитель. Схема структурная

Принцип действия усилителя можно пояснить с помощью схем простейших усилительных каскадов, приведённых на рис. 1.2. Основой усилителя являются два элемента: сопротивление R_к и активный элемент АЭ (например, биполярный транзистор на рис 1.2, а или полевой транзистор – рис 1.2, б). 

Под воздействием входного сигнала Uвх изменяются входной (I_б) и выходной (Iк) токи. Выходной ток значительно превышает входной ( ). В результате, в такт с изменением входного сигнала, изменяется падение напряжения на сопротивлении R_к, а следовательно, и выходное напряжение U_вых = Е – I_к·R_к.  

При правильно спроектированном усилителе нетрудно получить U_вых  > U_вх    и Р_вых > Р_вх. 

При использовании полевого транзистора с изолированным               затвором ток от источника входного сигнала вообще не потребляется, и поэтому Р_вх = 0. 

Рис 1.2. Простейший усилитель на транзисторе:

А – биполярном; б – полевом

Очевидно, что в обоих схемах усилителя процесс усиления основан на преобразовании энергии источника питания E в энергию напряжения на нагрузке Р_вых = U _н · I _н.