4.3. Обратные связи в усилителях

Обратной связью называется передача сигнала с выхода на вход. Если за счет обратной связи значение сигнала на выходе увеличивается, обратная связь называется положительной. Если выходной сигнал понижается, обратная связь называется отрицательной. Обратные связи могут производиться по напряжению и току.

Рисунок 4.6. Обратные связи в усилителях:

а,б – по напряжению; в,г – по току.

На рис. 4.6, а, б показаны обратные связи по напряжению, а на рис. 4.6, в, г — по току. Обратная связь по напряжению перестает действовать при коротком замыкании на выходе. Обратная связь по току перестает действовать при холостом ходе на выходе.

Во всех схемах с обратной связью коэффициент передачи усилителя:

где U₁ U₂ — напряжения соответственно на входе и выходе усилителя.

Коэффициент обратной связи усилителя определяется отношением:

где U_o.c — напряжение обратной связи

Для схем, показанных на рис. 4.6, а, б, имеем:

где U₃ — напряжение на входе усилителя при наличии напряжения обратной связи U_o.c..

Тогда коэффициент усиления каскада (коэффициент передачи):

где K = U₂/U₃ — коэффициент усиления без обратной связи.

Отрицательная обратная связь существенно влияет на технические параметры усилителя. При наличии этой связи: уменьшаются нелинейные, частотные, фазовые искажения и шумы; повышается стабильность коэффициента передачи; уменьшается выходное и увеличивается входное сопротивления.

К недостаткам отрицательной обратной связи следует отнести уменьшение коэффициента усиления.

Положительная обратная связь применяется в генераторах для возбуждения незатухающих гармонических колебаний. Эта связь определяет стабильность частоты сигнала генератора.

Тема 5. Полупроводниковые усилители

5.1. Усилители на биполярном транзисторе

Функциональная схема усилителя на биполярном транзисторе приведена на рис. 5.1, а. Резисторы R₁ и R₂ задают режим покоя каскада, при котором в транзисторе протекают только постоянные токи покоя базы I_Бп, коллектора I_Кп и эмиттера I_Эп.

Рисунок 5.1. Усилитель на биполярном транзисторе:

а- схема; б- статические входные характеристики;

в- выходные характеристики.

На базе, коллекторе и эмиттере действуют постоянные напряжения покоя U_Бп, U_Kп, U_Эп.

Конденсаторы С₁ и С₂ — разделительные. Конденсатор С₁ препятствует протеканию постоянного тока с делителя R₁, R₂. Конденсатор С₂ препятствует прохождению постоянного напряжения на резистор R_H. На этом резисторе действует переменная составляющая коллекторного напряжения. Резистор R_Э определяет ток покоя через транзистор при заданном напряжении U_Бп. Этот резистор для переменного сигнала является отрицательной обратной связью, предназначенной для стабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры. При увеличении (например, из-за роста температуры) тока коллектора покоя I_Кп возрастают ток эмиттера покоя I_Эп и падение напряжения на резисторе R_Э, поскольку U_Эп = I_ЭпR_Э.

Так как напряжение U_Бп фиксировано делителем R₁ R₂, то с увеличением U_Эп происходит закрывание транзистора. Это ведет к уменьшению коллекторного тока. Происходит автоматическая балансировка режима работы транзистора в режиме покоя.

Введение резистора R_Э изменяет работу каскада при усилении переменного входного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на резисторе падение напряжения U_Э = I_ЭR_Э, которое уменьшает усиливаемое напряжение. Коэффициент усиления каскада:

Для исключения резистора R_Э для протекания переменного тока его необходимо шунтировать конденсатором С₃ достаточно большой емкости. При наличии конденсатора общее сопротивление в цепи эмиттера:

где X_c = 1/jωС.

Расчет параметров каскада в режиме покоя по постоянному току проводят графоаналитическим методом с использованием статических входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) (рис. 5.1, б, в).

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме усиления сопротивление нагрузки R_H подключается параллельно сопротивлению R_K.

Общее сопротивление в цепи коллектора R_K0 = R_KR_H/(R_K + R_H). При этом следует учитывать, что Х_С2 = 0. Поскольку R_K > R_K0, то нагрузочная прямая проходит по линии СД.

Рассмотренный каскад дает ограниченное усиление из-за того, что сопротивление R_K определяет рабочую точку на выходных характеристиках по постоянному току с учетом допустимых нелинейных искажений. С увеличением R_K нелинейные искажения увеличиваются. Чтобы исключить эту зависимость, применяют динамическую коллекторную нагрузку.