Обратная связь в усилителях
Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС). При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала. При этом уменьшаются искажения сигнала, расширяется частотный диапазон и т. д.
Классификация обратных связей в усилителях представлена на рис. 9.8.
В соответствии с рисунком 9.8 обратные связи подразделяются на:
последовательная по напряжению (а);
параллельная по напряжению (б);
последовательная по току (в);
параллельная по току (г).
Рис. 9.8. Классификация обратных связей усилителя:
К– коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи;β– коэффициент передачи цепи обратной связи
Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль – то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.
Усилители на биполярных транзисторах
В усилителе в качестве активного элемента использован биполярный транзистор. Перед тем, как подавать на вход усилителя сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами.
Для характеристики проблемы обеспечения начального режима рассматривают следующие три схемы:
с фиксированным током базы;
с коллекторной стабилизацией;
с эмиттерной стабилизацией.
Схема с фиксированным током базы (рис. 9.9).
Рис. 9.9. Схема включения транзистора с фиксированным током базы
В соответствии со вторым законом Кирхгофа
.
Отсюда находим ток коллектора iK:
,
что
соответствует линейной зависимости
вида
.
Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 9.10).
В соответствии со вторым законом Кирхгофа
.
Отсюда находим ток базы iб:
.
Учитывая,
что uбэ<<Ек,
пренебрежем напряжением uбэ.
Тогда
.
Рис. 9.10. Выходные характеристики транзистора с линией нагрузки
Таким
образом, в рассматриваемой схеме ток
iб
задается величинами Eк
и Rб
(ток «фиксирован»). При этом
.
Пусть iб=iб2. Тогда начальная рабочая точка (НРТ) займет то положение, которое указано на рис. 9.10. Видно, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, iб=0), а самое верхнее положение – точке Z (режим насыщения, iб ≥ iб4).
Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:
при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины
и 
,
что изменяет ток Iкн
и положение
начальной рабочей точки;для каждого значения
необходимо
подбирать соответствующее значение
Rб,
что нежелательно при использовании
как дискретных приборов (т. е. приборов,
изготовленных не по интегральной
технологии), так и интегральных схем.
Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 9.11). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима.
Рис. 9.11. Схема включения транзистора с коллекторной стабилизацией
В
схеме имеет место отрицательная обратная
связь по напряжению (выход схемы –
коллектор транзистора соединен со
входом схемы – базой транзистора с
помощью резистора Rб).
При увеличении тока iк
(например, из-за повышения температуры)
начинает увеличиваться напряжение uRк.
Это приведет к уменьшению напряжения
uкэ
и тока iб
(
),
что будет препятствовать значительному
увеличению токаiк,
т. е. будет осуществляться стабилизация
тока коллектора.
Схема
с эмиттерной стабилизацией
(рис. 9.12). Основная идея, реализованная
в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать
ток iэ
и через это – ток iк
.
С указанной целью в цепь эмиттера
включают резистор Rэ
и создают на нем практически постоянное
напряжение uRэ.
При этом оказывается, что:
.
Для создания требуемого напряжения uRэ используют делитель напряжения на резисторах R1 и R2.
Рис. 9.12. Схема включения транзистора с эмиттерной стабилизацией
Резисторы R1 и R2 выбирают насколько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом
.
В соответствии со вторым законом Кирхгофа uRэ = uR2 – uбэ .
При воздействии дестабилизирующих факторов величина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина uRэ. На практике обычно напряжение uRэ составляет небольшую долю напряжения Ек.
Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АБ, В, С и D. Рассматриваемые RC – усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (iк > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала. В режиме В ток Iкн=0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени, меньшего чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).