2.2. Влияние отрицательной обратной связи на параметры и

характеристики усилителя

Влияние ООС на коэффициент усиления. Как следует из формулы (2.2) при введении ООС номинальное усиление уменьшается в F-раз (в фактор обратной связи раз).

24

Влияние ООС на полосу пропускания f. При введении ООС увеличивается полоса пропускания усилителя. Поскольку площадь усиления постоянно –

K₀ f const , то расширение полосы пропускания происходит обратно пропорционально уменьшению коэффициента усиления (в фактор обратной связи раз).

Рис.2.6. Изменение АЧХ при введении ОС

Влияние ООС на стабильность усилителя. Введение ООС позволяет повысить стабильность работы усилителя.

Для схемы на рис.2.1 справедливы следующие соотношения:

U _Вх U _с U_ОС,

^U _ОС ^U_Вых^,

^U Вых ^U Вх ^K.

Если в результате действия дестабилизирующих факторов начинает увеличиваться входное напряжение, то это приведёт к увеличению выходного напряжение и напряжения ООС, что в свою очередь вызовет уменьшение входного напряжения усилителя, а, следовательно, и выходного напряжения усилителя – U _Вх U _Вых U _ОС U_Вх .

Влияние ООС на нелинейные искажения. В результате усиления входного сигнала амплитуда выходного напряжения может достигать больших значений в каждом каскаде, что приведет к попаданию в нелинейную часть характеристики ВАХ и появлению нелинейных искажений. Для уменьшения

25

нелинейных искажений, которые чаще всего появляются в оконечных каскадах,

вводят ООС.

Рис.2.7. Изменение АХ при введении ОС

На графике U _Вх2 U_Вх1 вследствие передачи напряжения через цепь ОС

– ab = cd, поскольку отрезок U _Вх2 U_Вх1 U_ОС . При введении ОС, для того

чтобы увеличить выходное напряжение с величины U_Вых2 до величины U_Вых1

необходимо увеличивать входное напряжение с величины U_Вх1 до величины

U_Вх2. Это необходимо, поскольку при введении ООС коэффициент усиления

уменьшится KООС					K	(tg ), и выходное напряжение будет равно
					F
UВых2		UВых1	.
		F

В исходном усилителе без ООС область нелинейности амплитудной характеристики лежит в диапазоне рабочих входных напряжений, а при введении ООС область нелинейности смещается в нерабочую область больших входных сигналов. Чем больше фактор обратной связи, тем меньше нелинейные искажения и больше ДД по входу, тем меньше паразитных гармоник в выходном сигнале.

Влияние ООС на устойчивость усилителя. Задача обеспечения устойчивой работы усилителя является весьма важной. Усилитель становиться неработоспособным, если он теряет устойчивость, т.к. усилитель переходит в режим самовозбуждения, который сопровождается изменением его основных

26

свойств. Это происходит из-за фазовых сдвигов, вносимых как каскадами усилителя, так и цепью ООС, в результате чего веденная в усилителе ООС,

которая предназначалась для улучшения его характеристик и параметров у границ рабочего частотного диапазона, за его пределами становиться ПОС. При этом коэффициент усиления усилителя стремиться к бесконечности. Физически это означает наличие выходного напряжения при отсутствии напряжение на входе. Усилитель переходит в режим автогенерации.

Проверка усилителя на устойчивость проводится для случая, когда заведомо задана устойчивая структура, в которой отсутствие автоколебаний зависит только от параметров усилителя. В этом случае, для анализа устойчивости усилителя используется его передаточная функция. Для оценки устойчивости усилителя вводят критерии устойчивости. Различают алгебраические и частотные критерии устойчивости. Первые позволяют судить об устойчивости по коэффициентам характеристического уравнения, вторые – по форме АЧХ. Для инженеров наиболее удобными являются частотные критерии устойчивости.

Среди частотных критериев устойчивости обычно применяется критерий Найквиста (или годограф). Критерий Найквиста базируется на теореме

«принцип аргумента», по которой функция частоты выражается через модуль и аргумент коэффициента усиления в полярной системе координат. В такой системе координат баланс фаз выполняется на оси Im K 0, а баланс амплитуд выполняется на окружности радиусом единица с центром в начале координат. Таким образом, критической точкой будет точка с координатами

(Re K = -1;Im K 0).

27

Различают три типа годографов усилителей (рис 2.8).

Рис.2.8. Разновидности годографов усилителей: 1) годограф абсолютно устойчивого

усилителя, 2) годограф условно устойчивого усилителя, 3) годограф неустойчивого

усилителя

1. Абсолютно устойчивый усилитель. Фазовый сдвиг здесь такой, что при любом значении коэффициента усиления критическая точка с координатами (-1;0) не охватывается годографом.

2. Условно устойчивый усилитель. Годограф не охватывает критическую точку. Однако коэффициент усиления здесь таков, что при перегрузке усилителя сильным сигналом или помехой, годограф может сместиться и охватить критическую точку. Это приведет к самовозбуждению усилителя. Чтобы не допускать выполнения условия самовозбуждения в условно устойчивых усилителях при перегрузках, необходимо осуществлять автоматическую регулировку фазового сдвига, изменяя форму годографа

(рис. 2.9).

Рис.2.9. Регулировка фазового сдвига условно устойчивого годографа

3. Неустойчивый усилитель. Критическая точка охватывается годографом, поэтому усилитель является неустойчивым. Однако если уменьшить коэффициент усиления усилителя критическая точка не будет охвачена годографом и неустойчивый усилитель станет устойчивым. Можно подобрать такое значение коэффициента усиления усилителя, что годограф

28

пройдет через критическую точку, и усилитель окажется на границе устойчивости.

Вследствие технологического и температурного разброса параметров усилителя рассчитанный теоретически годограф не будет совпадать с реальным. Для того чтобы избежать самовозбуждения усилителя в результате изменения его годографа под действием указанных выше факторов предусматривают запас устойчивости усилителя (запас по усилению K_y и

запас по фазе _у ).

Рис.2.10. Запас устойчивости по усилению – K _y 1 K _{0 0} и запас по фазе –

у среза

Рекомендуемое значение запаса по усилению составляет K_y 0,6 0,8, а

по фазе _у 30 ⁰ 70⁰ . Все рекомендации относятся к запасу устойчивости

инверсного усилителя.

Для обеспечения устойчивой работы усилителя следует снижать коэффициент усиления за пределами полосы пропускания, т.е. необходимо вводить частотно-зависимую ООС, для того, чтобы за пределами полосы пропускания не выполнялось условие баланса фаз.

Обобщая влияние ООС на работу усилителя, следует сказать, что ООС улучшает все характеристики усилителя за исключением коэффициента усиления.

29

Контрольные вопросы

10. Какую связь в усилительном устройстве называют обратной?

а) Связь, которая обеспечивает передачу части сигнала из его входной цепи в выходную.

б) Связь, которая обеспечивает передачу части сигнала из его выходной цепи во входную.

в) Связь, которая обеспечивает снижение коэффициента усиления. г) Связь, которая обеспечивает расширение полосы пропускания. д) Все выше перечисленные.

10. Какую обратную связь в усилительном устройстве называют отрицательной?

а) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет отрицательную амплитуду. б) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет одинаковую амплитуду. в) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет одинаковый спектр.

г) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет одинаковую фазу. д) Если сигнал в точках подключения обратной связи находится в противофазе.

10. Что следует делать для обеспечения устойчивой работы усилителя?

а) Следует увеличивать коэффициент усиления во всей полосе пропускания.

б) Следует увеличивать коэффициент усиления в области нижних частот полосы пропускания.

в) Следует снижать коэффициент усиления в области верхних частот полосы пропускания.

г) Следует снижать коэффициент усиления за пределами полосы пропускания. д) Следует уменьшать полосу пропускания.

10. Как влияет введение ООС на нелинейные искажения?

а) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения увеличиваются вследствие расширения ДД по входу.

б) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения уменьшаются вследствие расширения ДД по входу.

в) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения увеличиваются вследствие расширения ДД по выходу.

г) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения уменьшаются вследствие расширения ДД по выходу.

10. Как влияет введение ООС на номинальный коэффициент усиления и полосу пропускания?

а) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления и полоса пропускания уменьшаются вследствие уменьшения площади усиления.

б) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления увеличивается, а полоса пропускания уменьшается вследствие постоянства площади усиления.

в) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления уменьшается, а полоса пропускания расширяется вследствие постоянства площади усиления.

г) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления и полоса пропускания увеличиваются вследствие увеличения площади усиления.

30

3. Работа транзистора в усилительных каскадах

• современных усилителях в качестве активного элемента обычно используют транзисторы. Это обусловлено их небольшими размерами,

удобством питания и монтажа. Современная технология позволяет изготавливать как маломощные (КТ 315) так и мощные (КТ 970, КТ 971)

транзисторы; как НЧ, так и ВЧ. Транзисторы бывают биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы бывают двух типов проводимости: n-p-n и p-n-p:

Рис.3.1. Биполярный транзистор: плюсы и минусы обозначают полярность приложенного

напряжения (два плюса и два минуса обозначают, что потенциал больше чем там где только

один)

Стрелка у эмиттера обозначает направление движения зарядов (ток течёт от плюса к минусу). Между токами и напряжениями имеют место следующие соотношения:

I Э I Б IК ,	(3.1)
U КЭ U БК UБЭ.	(3.2)