Влияние обратной связи на коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя.

В усилителях, в основном, используется отрицательная обратная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти все характеристики усилителей. На рис.14 показан усилитель, охваченный последовательной обратной связью по напряжению посредством блока обратной связи (БОС). Оценим свойства такого усилителя.

БОС

Рис.14. Усилитель с ОС

Напряжение определяется с помощью 2-го закона Кирхгофа по формуле:

, (1.1)

где знак “+” соответствует положительной обратной связи, знак “–” соответствует отрицательной обратной связи.

Разделим выражение (1.1) на и введем следующие обозначения:

- коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

- коэффициент усиления усилителя с БОС;

- коэффициент передачи БОС,

Получим следующее выражение:

, (1.2)

или

, (1.3)

где знак “+” соответствует отрицательной обратной связи, знак “–” соответствует положительной обратной связи.

Выражение (1.3) показывает, что введение ООС приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления. Практически это единственное негативное свойство ООС.

Приняв допущение, что коэффициент усиления стремится к бесконечно большой величине, исходя из формулы (1.2) получим следующее выражение:

, или .

Чтобы получить коэффициент усиления усилителя с БОС больше единицы, коэффициент передачи БОС должен быть меньше нуля. При таком коэффициенте передачи блок обратной связи может быть реализован на пассивных элементах, например, резисторах. Поскольку блок обратной связи может быть реализован на пассивных элементах, его коэффициент передачи может быть высоко стабилен и не зависим от температуры, времени и прочих дестабилизирующих факторах. Кроме того, ООС расширяет полосу пропускания и линейный участок амплитудной характеристики, что приводит к уменьшению искажений формы выходного сигнала.

2. Усилители переменного тока

2.1 Усилительный каскад с общим эмиттером. Принцип действия упрощенной схемы. Временные диаграммы и графики на основе ВАХ, поясняющие работу схемы. Схема усилителя с эмиттерной термостабилизацией

На рис. 16 приведена схема простейшего усилительного каскада выполненного на БТ, включенном по схеме с общим эмиттером.

U_вх

C_вх

R_вн

e_вн

U_бэ

i_вх

i_б

U_kэ

R_б

R_к

C_вых

U_вых

+E_k

i_вых

R_н

VT

Рис.16. Схема простейшего усилительного каскада

Рассмотрим назначение элементов в схеме. В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор , с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора.

Конденсатор исключает прохождение постоянного тока от источника питания в источник управляющего сигнала по цепи: , , . Кроме того входной конденсатор служит для исключения постоянного тока во входном контуре (по цепи: , база и эмиттер транзистора). Этот ток может быть, если содержит постоянную составляющую. Выходной конденсатор исключает прохождение постоянного тока от источника питания через нагрузку. Резистор базы обеспечивает желаемую величину тока базы в транзисторе в режиме покоя (если , т.е. когда источник сигнала отсутствует). Транзистор , а именно его силовая цепь (коллектор и эмиттер), совместно с резистором и источником питания образуют главную цепь усилительного каскада.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

(2.1)

т.е. сумма падения напряжения на резисторе и коллекторного напряжения транзистора всегда равна ЭДС источника питания. Вольт-амперная характеристика коллекторного резистора является линейной, а вольт-амперные характеристики транзистора — нелинейные.

0

20

16

12

8

4

20

16

12

8

4

4

8

12

16

20

I_k, mA

I_k, mA

i_k

b

a’

b’

П’

I_б = 800

I_б = 550

I_б = 300

I_б = 50

, B

a

П

I_КП

300

550

50

U_КП

U_вых

50

300

550

I_б, mкA

0,2

0,4

0,6

0,8

I_б, mкA

0

U_бП

U_вх

U_бэ, B

i _б

a’’

b’’

П’’

I_БП

Рис.17.

Определяют , и , графически. Для этого на семействе коллекторных характеристик строят линию нагрузки по постоянному току. Ее проводят по двум точкам: при (опыт холостого хода) на оси абсцисс и при =0 (опыт короткого замыкания) на оси ординат. Точки пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками дают решения уравнения (2.1) для данного и различных значений тока базы I_б. По этим точкам можно определить , и . Линия, проходящая через вышеуказанные две точки, называется линией нагрузки по постоянному току. Линия нагрузки по постоянному току проходит под углом , котангенс которого определяется как отношение прилежащего к противолежащему катетам (рис.16):

. (2.2)

Для анализа работы каскада также используют входную характеристику и переходную . На переходной характеристике участок ab практически линейный при изменении тока базы от нуля до некоторого значения, зависящего от транзистора и сопротивления . Выбирая необходимо учитывать, чтобы линия нагрузки проходила левее и ниже допустимых значений _к.max, _к.max, _к.max и обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики.

Резистор обеспечивает желаемый режим работы транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Благодаря ему можно получить желаемые ток базы и напряжение между базой и эмиттером . В режиме покоя рабочая точка транзистора выбирается в средней части линии нагрузки по постоянному току. Это делается для того, чтобы в процессе усиления сигнала рабочая точка могла перемещаться влево и вправо относительно точки покоя. Чтобы обеспечить желаемое положение рабочей точки в режиме покоя обеспечивают желаемый ток базы покоя . Для обеспечения данного режима выбирают по формуле:

. (2.3)

Благодаря тому, что коллекторный ток во много раз превышает ток базы, а сопротивление больше , выходное напряжение усилительного каскада с ОЭ получается во много раз больше входного напряжения. Если изменения входного напряжения, тока базы и тока коллектора укладываются в линейные участки входной и переходной характеристик, то форма выходного напряжения будет соответствовать форме входного напряжения.

E

R_к  

C_с

U_{К Э}

R_н  

В режиме усиления некоторого входного переменного сигнала можно предположить, что будет изменяться по закону, близкому к синусоидальному. В этом случае транзистор можно заменить неким эквивалентным генератором и относительно этого эквивалентного генератора выходную цепь можно представить в виде:

Рис.18. Выходная цепь относительно эквивалентного генератора

Учитывая, что в каскадах всегда , где – модуль емкостного сопротивления конденсатора на низшей из усиливаемых частот, и используя метод наложения, можно считать, что относительно эквивалентного генератора, т.е. относительно коллектора транзистора, резисторы и подключены параллельно. Их результирующее сопротивление – сопротивление цепи коллектора по переменному току определяется:

.

При подаче на вход каскада синусоидального сигнала, ток базы будет меняться по закону, близкому к синусоидальному, что приведет к перемещению рабочей точки вверх, а затем вниз относительно точки покоя вдоль линии нагрузки по переменному току. Линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя под углом к оси абсцисс. Для этого угла, аналогично выражению (2.2):

. (2.4)

Пусть в режиме покоя ток базы покоя равен току базы . При этом равны напряжения и . ЭДС генератора во времени начинает изменяться по синусоидальному закону. Предположим, что и малы. В этом случае переменная составляющая напряжения приблизительно равна ЭДС генератора .

Результирующая напряжения равна сумме , где – переменная составляющая напряжения.

Соответственно, ток базы содержит постоянную и переменную составляющую. Поскольку ток базы совершает колебания в большую и меньшую стороны относительно точки покоя, то и ток коллектора будет совершать колебания в большую и меньшую стороны относительно тока коллектора покоя . При этом рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки по переменному току.

Напряжение также будет иметь постоянную составляющую, относительно которой будут происходить колебания собственно самого напряжения . Следует отметить, что напряжение коллектор – эмиттер и, соответственно, напряжение на нагрузке колеблется в противофазе с ЭДС генератора , т.е. сдвинуто относительно него на . Поэтому рассматриваемая схема является инвертирующей.

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. Из-за температурного и временного дрейфа ВАХ, а так же в случае замены транзистора в усилительном каскаде, рабочая точка в режиме покоя может оказаться не в средней части линейной нагрузки по постоянному току. При этом будут происходить искажения формы выходного сигнала, что нежелательно. Это вызывает смещение рабочей точки на коллекторной и переходной характеристиках, вплоть до выхода за пределы линейных участков.

Дата добавления: 2015-08-17