4.2 Истоковый повторитель

Истоковый повторитель - это схема на полевом транзисторе, в которой выходное напряжение снимается с резистора в цепи истока, а резистор в цепи стока отсутствует. Схема истокового повторителя (рис. 4.2.1) аналогична схеме эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе. Истоковый повторитель имеет коэффициент усиления меньше 1, высокое входное и ни выходное сопротивления. Большое входное сопротивление в любой схеме обеспечивается структурой полевого транзистора, но истоковый повторитель иногда используется из-за его низкого выходного сопротивления.

Рис. 4.2.1 Истоковый повторитель

Коэффициент усиления истокового повторителя

К оэффициент усиления истокового повторителя можно определить из эквивалентной схемы (рис. 4.2.2):

Рис. 4.2.2

при условиях , а .

Таким образом, генератор создает ток , протекающий через резистор, и ток , протекающий в генераторе тока. Тогда суммарный ток, вызванный ,

,

Из этих формул следует, что выходное сопротивление схемы с общим стоком определяется сопротивлением двух параллельно включенных резисторов и .

Расчет схемы истокового повторителя заключается в основном в определении сопротивления . Наклон нагрузочной линии на стоковых характеристиках равен .Таким образом , может иметь большее значение, чем большинстве схем с общим истоком, где наклон равен . Однако нет необходимости выбирать очень большим, потому что коэффициент усиления будет всегда меньше 1.

Так же необходимо заметить, что благодаря низкому выходному сопротивлению истоковый повторитель можно использовать для повышения коэффициента усиления схемы с общим истоком.

Задание к лабораторной работе:

Собрать по примеру схему истокового повторителя (Рис. 4.2.1).

Подавая на его вход заранее известное напряжение U_ВХ и варьируя сопротивление резистора определить коэффициент усиления его по напряжению (U_DD=15 В). Для получения более точных данных проделать этот опыт от 3-х до 5-ти раз.

	1	2	3	4	5
UВХ,В
,кОм
KU

Рассчитать коэффициент усиления истокового повторителя по вышеприведенным формулам.

Сравнить рассчитанный коэффициент усиления с полученным опытным путем значением.

Контрольные вопросы

1.Где используются эмиттерный и истоковый повторители?

2.Как выбирается R резисторов, которые задают смещение в эмиттерном повторителе? в истоковом?

3.Как эмиттерный повторитель преобразовать в инвертор ?

4.Чему равен коэффициент усиления эмиттерного повторителя? истокового повторителя?

5.Объяснить принцип работы эмиттерного повторителя?

6. Объяснить принцип работы истокового повторителя?

7.Достоинства и недостатки истокового повторителя? эмиттерного повторителя?

8.Провести сравнительный анализ эмиттерного и истокового повторителя.

5. 2-х каскадный усилитель с общим эмиттером

Усилители - устройства, предназначенные для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Усилитель имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

А мплитудно-частотная характеристика отражает зависимость модуля коэффициента усиления , определяемого для синусоидального входного сигнала от частоты. Однако очень редко один усилительный каскад обеспечивает требуемый коэффициент усиления. Поэтому применяют много каскадные усилители с конденсаторной связью между каскадами

Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров усилителя от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала напряжение на выходе усилителя изменяется не только по амплитуде, но и по фазе.

Поэтому второй характеристикой усилителей является фазо-частотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость угла фазового сдвига от частоты.

Усилительный каскад задерживает сигнал на какое-то время. Каждые гармонические составляющие задерживаются на разное время.

Два однокаскадных усилителя (см. рис. 5.1) с ОЭ можно соединить вместе для получения высокого коэффициента усиления схемы.

Pис. 5.1

В результате последовательного соединения таких однокаскадных усилителей мы получаем 2-х каскадный усилитель, показанный на рис. 5.2.

Pис. 5.2

Если нам известен коэффициент усиления каждого из транзисторов (допустим он равен K), то общий коэффициент должен быть равен: , но это не верно, потому что второй каскад влияет на работу первого. Действительно, общий коэффициент усиления является произведением трех коэффициентов передачи , и , где - коэффициент усиления второго каскада. Если второй каскад не нагружен, то его коэффициент усиления остается прежним: K.

- коэффициент усиления первого каскада. Однако здесь имеет емкостную связь с резисторами смещения и с второго каскада. Таким образом, первый каскад в действительности нагружен сопротивлением , где ,

Тогда коэффициент усиления первого каскада:

И наконец показывает, какая часть входного напряжения подается на базу первого транзистора.

При высоком коэффициенте усиления на выходе такой схемы могут возникнуть колебания на ее собственной резонансной частоте. В этом случае схема утрачивает усилительные свойства. Контроль возникновения колебаний осуществлялся на выходе схемы пробником электронно-лучевого осциллографа, который позво­лял правильно настроить схемы. Устранение паразитных колебаний является в той же мере искусством, как и наукой. Для устранения паразитных колебаний можно укоротить соединительные провода, включить конденсаторы небольших емкостей в соответствующие места схемы и ввести емкостную связь с 680-Ом резистором на выходе. Это уменьшает коэффициент усиления, но одновременно снизило вероятность возникновения колебаний.

Так же необходимо заметить, что в исследуемой нами схеме (рис.6.4) присутствуют 2 обратные связи, которые изменяют ее входное сопротивление и АЧХ.

В общем случае обратную связь (ОС) можно определить как связь выходной цепи усилителя или каскада усиления с его входной цепью. Она образуется тогда, когда усиленный сигнал с выхода отдельного каскада усилителя или усилителя в целом передается на его вход через цепи, дополнительно вводимые для этого (внешняя ОС) или уже имеющиеся в нем для выполнения других функций (внутренняя ОС). К последним, например, относятся общая цепь источника питания усилителя, межэлектродные емкости в электронных приборах.

В большинстве случаев внутренняя ОС и непреднамеренно возникшие цепи внешней ОС (например, из-за близкого расположения при монтаже деталей, соединительных проводов входных и выходных цепей усилителя) вызывают так называемую паразитную ОС. В реальных устройствах паразитная связь, как правило, приводит к изменению их свойств в худшую сторону и возникновению других нежелательных явлений (в частности, генерацию паразитных колебаний, частоты которых значительно выше или ниже частот усиливаемых колебаний), часто трудно

Рис. 6.3

поддающихся контролю и устранению.

На рисунке 6.3 приведена структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, охваченного внешней цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь вместе с усилителем, к которому она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС. Стрелками показаны  направления   прохождения сигнала.

Часть усиленного внешнего сигнала с выхода усилителя (прямая цепь передачи сигналов) поступает по цепи ОС на его вход и складывается там с внешним сигналом. При таком сложении амплитуд сигналов (внешнего и ОС) на входе усилителя возможны два принципиально отличных по конечному действию случая: либо сумма амплитуд сигналов больше амплитуды внешнего сигнала (фазы колебаний с одинаковой частотой на выходе цепи ОС и входной сигнала совпадают, сдвиг фаз равен 0°), либо меньше его (их фазы противоположны, сдвиг фаз равен 180°). В первом случае говорят о ПОС (положительной обратной связи), во втором – о ООС (отрицательной ОС). В большинстве случаев ПОС паразитная.

Обратная связь (ОС), охватывающая один каскад, называется местной, несколько - общей.

Если во входной цепи усилителя вычитается ток в цепи ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной. Если во входной цепи вычитается напряжение входного сигнала из сигнала ОС, то такую ООС называют последовательной. По способу получения (снятия) сигнала ООС с выхода усилителя различают ООС по напряжению (когда сигнал ООС пропорционален U_ВЫХ усилителя) и по току (сигнал ООС пропорционален току через нагрузку).

Последовательная ОС по напряжению

При последовательной обратной связи по напряжению с сопротивления нагрузки усилителя снимается часть выходного напряжения , которое во входной цепи алгебраически складывается с .

Напряжение обратной связи Uос = χUвых где χ – коэффициент ОС.

χ = R2/(R1+R2) ≈R2/R1 (обычно R1<<R2).

Прежде всего рассмотрим влияние последовательной ОС по напряжению на коэффициент усиления по напряжению. Для усилителя, охваченного обратной связью,

Kuoс = Uвых/(Uвх±Uос) = Uвых/[Uвх(1±χкu)]

но коэффициент усиления по напряжению усилителя без обратной связи кu = Uвых/Uвх, поэтому после проведения преобразования для ООС можно записать:

Кuос=ки/(1+χки).

При ПОС в знаменателе правой части следует использовать знак «минус».

Введем понятие глубины обратной связи F. Для ООС F = 1+χкu. Отсюда следует, что глубина ООС возрастает при увеличении χ и Ки, При очень глубокой ООС F = χкu, , поэтому в данном случае можно записать

Кuос = 1/χ = (R1+R2)/R2

Вывод: при глубокой ООС (F>10) удается практически полностью исключить влияние пара­метров транзистора и всего усилителя на его Ки ОС. Не будут влиять такие факторы, как изменение температуры, радиационное воздействие, разброс параметров, старение и др. Таким образом, можно утверждать, что введение глубокой последовательной ООС по напряжению обеспечивает стабильность усиления по напряжению.

Улучшение стабильности коэффициента усиления с помощью ООС широко используется для расширения АЧХ усилителя. При отклонении в области НЧ или ВЧ уменьшается Ки, но уменьшается и глубина ООС, т.е. 1+ χ Ки. В результате Ки ОС изменяется слабо и ре­ализуется АЧХ с широкой полосой пропускания.

Улучшение стабильности коэффициента усиления с помощью ООС широко используется для расширения АЧХ усилителя

Входное сопротивление усилителя с ООС Rвх.ос определяется способом подачи сигналов обратной связи во входную цепь. При последовательной ООС по напряжению Rвх.ос можно пред­ставить как Rвх.ос = Uвх(1+χкu)/Iвх = RвхF.

Отсюда следует, что последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя в F раз.

Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия сигнала обратной связи с выхода устройства. При последовательной ООС по напряжению Uвьч усилителя меньше зависит от тока нагрузки, что соответствует уменьшению его выходного сопротивления. Для рассматриваемого вида ООС можно записать

R_вых.ос = R_вых/F

Отсюда следует, что последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление в F раз. Таким образом, чем глубже ООС, тем меньше Rвых.ос. Изложенное выше позволяет заключить, что последовательная ООС по напряжению уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по напряжению, снижает как линейные, так и нелинейные искажения, повышает входное сопротивление и уменьшает выход­ное сопротивление усилителя.

Rос

Сос

Последовательная ОС по току

При последовательной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор , падение напря­жения на котором пропорционально выходному току.

Во входной цепи усилителя это алгебраически складывается с входным напряжением.

.

При глубокой ООС по току эту формулу можно преобразовать к следующему виду:

Последовательная ООС по току, как и по напряжению, уменьшает частотные искажения (расширяет полосу пропускания АЧХ) и нелинейные искажения усилителя. Введение ООС снижает также влияние помех и наводок, проникающих в усилитель.

Входное сопротивление усилителя с ООС определяется способом подачи сигналов во входную цепь

Наиболее существенное отличие последовательных ООС по напряжению и току проявляется через величину R_выхОС. Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия сигнала обратной связи с выхода устройства. При этом способ подачи сигнала ООС во входную цепь не играет никакой роли. Для R_выхОС усилителя, охваченного ООС по току, можно записать следующее выражение:

откуда следует, что выходное сопротивление возрастает. Таким образом, рассмат­риваемая ООС приводит к увеличению R_вьхОС, причем тем в большей степени, чем глубже обратная связь.

Изложенное выше позволяет заключить, что последовательная ООС по току стабилизирует коэффициент усиления по напряже­нию при постоянной нагрузке, снижает искажения, повышает входное и выходное сопротивления усилителя.

Параллельная ОС по току

При параллельной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор R, падение напряже­ния на котором пропорционально выходному току. Это напряже­ние образует во входной цепи ток обратной связи, протека­ющий через специальный дополнительный резистор R_ос. Во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение I_ос и тока входного сигнала. На рисунке приведена структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по току. Здесь , а коэффициент обратной связи по току Глубина ООС по току

Коэффициент усиления по току

где - коэффициент усиления по току без ООС. При глубокой парал­лельной ООС по току

Отметим также, что введение параллельной ООС по току уменьшает как линейные, так и нелинейные искажения токовых сигналов.

Так как входное сопротивление усилителя в ООС определяется лишь способом подачи сигнала обратной связи во входную цепь, то для параллельной ООС можно записать:

.

Здесь во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи. Таким образом, параллельная ООС уменьшает R_вхОС, причем величина R_вхОС обратно пропорциональна глубине ООС по току.

Как было выше показано, ООС по току способствует увеличе­нию выходного сопротивления усилителя. Для параллельной ООС по току R_выхОС может быть рассчитано по следующей приближенной формуле:

Изложенное выше позволяет заключить, что параллельная ООС по току уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по току, снижает искажения токовых сигналов, уменьшает входное и увеличивает выходное сопротивления усилителя.

Параллельная ОС по напряжению

П ри параллельной обратной связи по напряжению с сопротивле­ния нагрузки снимается выходное напряжение, которое во входной цепи образует ток обратной связи, протекающий через специаль­ный резистор. На рисунке приведена структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Хотя во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи, при анализе усилителя с параллельной ООС по напряжению часто используют коэффициент обратной связи по напряжению . При этом необходимо учитывать шунтирующее влияние входной цепи усилителя, поскольку в данном случае Rвх . Поэтому можно представить в следующем виде:

.

Выделение напряжения во входной цепи усилителя происходит на сопротивлениях .

За счет малого R_вх на внутреннем сопротивлении источника сигнала R_г будет теряться солидная доля Ег В результате ко входу усилителя прикладывает­ся напряжение

.

Коэффициент усиления по напряжению при глубокой параллельной ООС по напряжению:

.

При параллельной ООС по напряжению К_иОС стабилен при Таким образом, при глубокой параллельной ООС по напряжению можно исключить влияние внешних факторов на величину К_и0с, уменьшить линейные и нелинейные искажения. Однако такой усилитель совершенно не подходит по своим свойствам для входного каскада многокаскадного усилителя, в частности, из-за его высокой, чувствительности к изменению R_г. Усилители с параллельной ООС по напряжению рекомендуется использовать в качестве промежуточных и выходных каскадов.

Вывод: параллельная ООС по напряжению стабилизирует коэффициент усиления по напряжению при постоянном сопротивлении источника сигнала, снижает искажения, уменьшает входное и выходное сопротивления усилителя.

Задание к лабораторной работе:

Pис. 6.4

1. Изучить теоретическую часть лабораторной работы.

2. Собрать усилитель по схеме, изображенной на рисунке 6.4

В отчет по этой работе внести таблицу с исходными данными (табл. 1)

Таблица 1

R57,кОМ	R58,кОМ	R59,кОМ	R60,кОМ		R61,кОМ	R62,кОМ	R63,кОМ
R64,кОМ	R65,кОМ	Rос1,кОМ	Rос2,кОМ		C17,мкФ	C18,мкФ	C19,мкФ
C20,мкФ	Cос1,мкФ	Cос2,мкФ

3. Подать на вход схемы напряжение. Объяснить, почему эта схема с параллельной обратной связью (Изучить переходы по R_{ос1 и} С_ос1)

4. Опытным путем определить коэффициент усиления схемы без ОС

5. Рассчитать коэффициент усиления схемы без ОС и сравнить полученное значение с измеренным.

Обозначьте входные и выходные напряжения и токи схемы. Рассчитайте A_v без обратной связи, потом A_i с обратной связью. Определите β и βA_i . Вычислите коэффициент усиления по напряжению с обратной связью.

6. Оценить разницу и объяснить расхождения, если таковые имеются

7. Определить коэффициент усиления схемы после подключения каждой ОС, с помощью результатов определить виды ОС.

Контрольные вопросы

1.Что такое усилители ?

2.Какие зависимости отражают АЧХ и ФЧХ усилителей?

3.Каим образом можно получить более высокий коэффициент усиления?

4.На что влияют обратные связи в двухкаскадном усилителе?

5.Что такое обратная связь? паразитная связь? К чему приводит обратная связь?

6. Что такое ПОС и ООС?

7.Как определяются коэффициенты усиления ПОС и ООС?

8.Как реализуется последовательная ОС по току? напряжению?

9. Как реализуется параллельная ОС по току? по напряжению?

10.Достоинства и недостатки вышеперечисленных видов обратной связи.