Тема: Обратная связь в усилителях

Усилители на полевых транзисторах обладают большим входным сопротивлением. Обычно такие усилители используются как первые каскады входных (предварительных) усилителей, усилителей постоянного тока измерительной и другой радиоэлектронной аппаратуры.

Применение в первых каскадах усилителей с большим входным сопротивлением позволяет согласовывать источники сигнала с большим внутренним сопротивлением с последующими более мощными усилительными каскадами, имеющими небольшое входное сопротивление.

Подобно биполярным транзисторам, полевые транзисторы используют в трёх основных схемах включения: с общим истоком (ОИ), общим стоком (OС) и общим затвором (ОЗ).

Усилительный каскад по схеме с общим истоком (ОИ). Каскады с общим истоком (ОИ) чаще всего применяются на практике, так как они обладают наи­большим коэффициентом усиления по мощности К_Р. Усилительный каскад по схеме с ОИ аналогичен схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.

Отличие сток-затворных характеристик разных типов полевых транзисторов, приводит к разным схемам построения усилительных каскадов на полевых транзисторах разных типов, и прежде всего, к разным схемам задания режима работы.

На рис.5 приведены упрощённые схемы усилителя с общим истоком, обеспечивающих получение усилительного режима при питании полевых транзисторов разных типов только от одного источника Е_С.

Рис.5. Схемы подачи напряжения на затвор в усилителях на полевых транзисторах

В полевых транзисторах напряжение, подаваемое на затвор и называемое напряжением смещения U_CM, может создаваться или за счёт напряжения на резисторе, включённом в цепь истока, или за счёт подачи на затвор дополнительного напряжения с помощью делителя R1, R2 (рис.5).

У полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (рис.5,а) и со встроенным каналом (рис.5,б) напряжение смещения U_CM может быть обеспечено за счёт сопротивления R_И в цепи истока. Так как ток затвора I_З полевых транзисторов достаточно мал и мало падение напряжения на резисторе R_З, то можно считать, что в режиме покоя напряжение затвор-исток U_ЗИ0 практически равно падению напряжения на сопротивлении R_И: U_CM = U_ЗИ0 ≈ U_Rи ≈ I_C0R_И, где I_C0 – ток стока в режиме покоя, т.е. когда ещё не подан входной сигнал.

При необходимости иметь повышенное входное сопротивление усилителя, резистор R_З берут порядка 1 … 10 МОм.

При работе полевого транзистора с управляющим р-n-переходом в широком диапазоне температур и при большом сопротивлении R_З режим работы меняется из-за дополнительного падения напряжения на сопротивлении R_З . Это связано с температурными изменениями обратного тока p-n-перехода. Для устранения температурной нестабильности режима работы, на затвор подают до­полнительное отпирающее напряжение (рис.5,в) с делителя напряжения на резисторах Rl и R2.

У полевых транзисторов с индуцированным каналом (рис.5,г) прин­ципиально необходима подача напряжения смещения U_CM от вне­шнего источника Е_С, так как в случае отсутствия U_CM транзистор будет заперт. Температурная стабилизация также осуществля­ется с по­мощью резистора R_И, включённого в цепь истока.

Типичные схемы усилителя на полевых транзисторах, включённых по схеме с ОИ, показаны на рис.6.

Рис.6 Типичные схемы усилителей на полевых транзисторах: а – полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, б – полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом р-типа

Входное переменное напряжение U_BX через разделительный конденсатор С_Р1 подаётся на затвор транзистора. Разделительный конденсатор входной цепи С_Р1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы транзистора. Сопротивление конденсатора для постоянного тока равно бесконечности.

Усиленное переменное напряжение, выделяемое на стоке транзистора, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением R_H через разделительный конденсатор С_Р2. Конденсатор С_Р2 необходим для разделения выходной стоковой цепи от внешней нагрузки R_Н по постоянной составляющей тока стока I_С0. Чаще всего R_Н – это входное сопротивление последующего каскада усиления.

Рассмотрим работу схемы усилителя изображенного на рис.6,а. Резисторы R_И, R_З и конденсатор С_И создают напряжение смещения U_CM транзистора, задавая ему режим работы – режим усиления.

Резистор R_И кроме подачи напряжения смещения U_СМ на зат­вор, выполняет также термостабилизацию режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя величину I_C0 – тока стока в режиме покоя. Чтобы на сопротивлении R_И не выделялось напряжение за счёт перемен­ной составляющей тока стока I_C, а это привело бы к изменению режима работы, его шунтируют конденсатором С_И. Ёмкость этого конденсатора определяется из условия С_И ≫ 1/ωR_И, где ω – частота усиливаемого сигнала.

Резистор R_З, включённый параллельно входному сопротивлению усилителя, которое очень велико, должен иметь соизмеримое с ним значение сопротивления.

Усилитель может работать в двух режимах: покоя – нет входного сигнала; динамическом – на вход поступает сигнал, например, с эдс е_ВХ = Е_m sinωt.

В режиме покоя, т.е. при е_ВХ = 0, в цепи истока и стока будут протекать постоянные токи I_И0 и I_С0 – токи покоя. Их величина определяется величиной постоянного напряжения U_ЗИ0 – напряжения смещения.

Ток покоя I_С0, протекая через резистор R_С, создаёт на нем падение напряжения U_Rс = I_С0R_С. Поэтому напряжение на стоке транзистора U_СИ0 в режиме покоя меньше напряжения Е_С и определяется из условия U_СИ0 = Е_К – I_С0 (R_С + R_И) = Е_К – U_Rс – U_Rи.

Выходное напряжение в режиме покоя равно нулю U_ВЫХ = 0, т.к. разделительный конденсатор С_Р2 постоянный ток и напряжение не пропускает.

В динамическом режиме на вход поступает сигнал, изменяющийся по закону u_ВХ = U_вxm sinωt. Под действием отрицательного полупериода входного напряжения U_вxm отрицательное напряжение U_ЗИ увеличивается, что вызывает уменьшение тока стока (см.рис.2,в) относительно тока покоя I_С0.

При положительном полупериоде входного напряжения, отрицательное напряжение U_ЗИ уменьшается, что вызывает увеличение тока стока относительно тока покоя I_С0. Следовательно, в цепи стока и истока кроме постоянных составляющих токов протекают переменные составляющие токов

i_С = I_С0 + I_Сm sin ωt ,

i_И = I_И0 + I_Иm sin ωt.

Если работа происходит на линейных участках вольт-амперных характеристик полевого транзистора, то форма переменных составляющих тока стока и истока совпадают с формой входного напряжения u_ВХ = U_вxm sinωt.

В этом случае напряжение на стоке можно представить в виде

u_СИ = Е_С – U_Rс – U_Rи – R_С I_Сm sin ωt .

Из этого уравнения видно, что переменное напряжение на стоке u _СИ также изменяется по синусоидальному закону.

Переменная составляющая R_СI_Сmsinωt напряжения u_СИ через разделительный конденсатор С_р2, не пропускающий только постоянную составляющую, поступает на выход усилителя, т.е. в нагрузку.

При правильном выборе сопротивления резистора R_С, амплитуда выходного напряжения будет больше амплитуды входного сигнала U_выxm ≫ U_вxm.

Это свидетельствует об усилении сигнала в схеме усилителя на полевом транзисторе, включённом по схеме с ОИ.

Схема усилителя на полевом транзисторе, включённом по схеме с ОИ, изменяет фазу входного сигнала на 180°, т.е. инвертирует входной сигнал.

Коэффициент усиления по напряжению усилительных каскадов на полевых тран­зисторах в области средних частот определяется равенством

K_U = – SR_CН,

где S – крутизна сток-затворной характеристики полевого транзис­тора, R_СН – сопротивление нагрузки, определяемое по формуле R_СН = R_С R_Н / (R_С + R_Н). Знак минус в выражении K_U указывает на то, что усилительный каскад с ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 180°.

Входное сопротивление зависит от сопротивления резисторов, подсоединённых к затвору. Для схемы рис.6,а R_ВХ = R_З, а для рис.6,б подсчитывается по формуле R_ВХ = R1R2 / (R1 + R2).

Выходное сопротивление определяется по формуле R_ВЫХ ≈ R_С.

Усилительный каскад по схеме с общим стоком (ОС) – истоковый повторитель.

Усилитель на полевом транзисторе, включённом по схеме с общим истоком, обычно называют истоковым повторителем. Повторителем сигнала называется устройство, не изменяющее поляр­ность (фазу) подаваемого на вход сигнала.

На рис.7 приведена схема простого истокового повторителя на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. По своим свойствам он аналогичен эмиттерному повторителю – обладает большими входным сопротивлением и коэффициентом усиления по току, малым выходным сопротивлением.

.

Рис.7. Схема истокового повторителя на полевом транзисторе с управляющим

p-n-переходом и каналом n-типа.

В схеме истокового повторителя, нагрузочный резистор R_И включён в цепь истока, а сток по переменным составляющим тока и напряжения соединён с общей точкой усилителя, т.е. вывод от стока является общим для входной и выходной цепей устройства, поэтому схема называется с ОС.

Основой рассматриваемого усилителя по схеме с ОС (истокового повторителя) являются два элемента: резистор R_И и полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом. Назначение остальных элементов каска­да аналогично усилителю по схеме с ОИ. Кроме стоковой нагрузки, резистор R_И является также сопротивле­нием автоматического смещения для ре­жима покоя (как в каскаде с ОИ).

В истоковом повторителе для режима покоя U_СИ = Е_С – I_С0R_И. В динамическом режиме работы выходное напряжение, равное переменной составляющей напряжения на резисторе R_И, подаётся через разделительный конденсатор С_Р1 в нагрузку R_H.

Основные параметры для этой схемы можно определить по формулам

R_ВХ ≈ R_З .

Обычно К_U = 0,95-0,99, поэтому выходной сигнал по амплитуде почти повторяет входной. Фазу входного сигнала на выходе этот усилитель не изменяет. Для истокового повторителя R_ВЫХ составляет сотни ом, что значительно меньше, чем в схеме с ОИ. Входное сопротивление определяется резистором R_З, величина которого обычно выбирается порядка 1МОм.

Несмотря на то, что истоковый повторитель не является усилителем напряжения, он часто используется в различной радиоэлектронной технике.

Благодаря малому R_ВЫХ повторитель рав­номерно воспроизводят сигналы в широкой полосе частот. При малом R_ВЫХ повторителя легко обес­печивается согласование с низкоомной нагрузкой, что необходимо для получения максимальной мощности усиления.

Высокое R_ВХ повторителей используется для уменьшения связи между каскадами. Повторитель, подключённый к выходу предыдущего каскада, практически не оказывает на него влияние вследствие высокого R_ВХ и малой ёмкости С_ВХ.

Повторители используются во входных каскадах в тех слу­чаях, когда источник сигнала имеет высокое внутреннее сопротив­ление.

Повторители также используются в качестве усилителей мощ­ности. Не усиливая напряжение, они в то же время позволяют получать значительные выходные токи, а следовательно, и мощ­ность в нагрузке. Коэффициент усиления повторителя по мощно­сти может достигать больших значений с малыми затратами мощности во вход­ных цепях. Усилители мощности на повторителях строятся как по однотактной, так и по двухтактной схемам. Двухтактная схема повторителя позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия усилителя.

Если повторители, построенные по классической схеме (рис.7), не удовлетворяют предъявленным требованиям, то используют более сложные спе­циальные повторители.

Усилительный каскад по схеме с общим затвором (ОЗ). Схема с общим затвором по свойствам аналогична схеме на биполярном транзисторе с ОБ. Схема не усиливает ток, поэтому коэффициент усиления по мощности во много раз меньше, чем в схеме с ОИ. Эта схема имеет малое входное сопротивление, потому что входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не инвертируется. Схема с ОЗ практически не применяется, т.к. не удаётся использовать один из важнейших параметров полевых транзисторов – их большое входное сопротивление.

Тема: Обратная связь в усилителях

1. Общие сведения

Основные понятия. Усиления одного усилительного элемента (транзистора, лампы и т.д.) для большинства схем усилителей недостаточно, поэтому используют несколько усилительных элементов, т.е. применяют многокаскадный усилитель.

Часть схемы, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом усиления или каскадом усилителя. В любом каскаде выделяют входную и выходную цепи для протекания переменного и постоянного токов, которые состоят из проводников и пассивных радиоэлементов – резисторов, конденсаторов, трансформаторов и т.д.

Обратная связь (ОС) – это связь выходной цепи усилителя или выходного каскада многокаскадного усилителя с его входной цепью.

Цепь, по которой осуществляется передача сигнала обратной связи, называется цепью обратной связи. Эта цепь в усилительном устройстве может вводиться либо преднамеренно, для придания усилителю определённых свойств, либо может возникать самопроизвольно – за счёт неудачного монтажа (паразитная обратная связь).

Передача энергии цепью обратной связи осуществляется в направлении обратном передачи входного сигнала (рис.1). Через цепь обратной связи выходной сигнал может поступать на вход усилителя полностью или только его часть.

Усилитель с ОС

Вход К Выход

U_ОС

β

Рис.1. Структурная схема усилителя с обратной связью (с ОС)

Усилитель с обратной связью (рис.1) состоит из усилителя без ОС с коэффициентом усиления К = U_ВЫХ / U_ВХ и цепи обратной связи с коэффициентом передачи

β = U_ОС / U_ВЫХ,

где U_ОС – напряжение обратной связи.

Коэффициент усиления К и коэффициент передачи цепи обратной связи β в общем случае являются комплексными величинами, что подчёркивает наличие фазового сдвига между U_ОС и U_ВХ на низкой, высокой или сверхвысокой частоте.

Фазовый сдвиг φ между U_ОС и U_ВХ возникает за счёт реактивных элементов (конденсаторов, индуктивностей, трансформаторов) в самом усилителе и/или в цепи обратной связи. Напряжение U_ОС может быть сдвинуто по фазе относительно U_ВХ на любой угол φ.

На практике чаще всего применяется такая ОС, при которой U_ОС изменяется либо в фазе с U_ВХ , т.е. φ = 0° – положительная обратная связь (ПОС), либо в противофазе, когда φ = 180° – отрицательная обратная связь (ООС).

Наличие любой обратной связи может привести либо к увеличению, либо к уменьшению сигнала на выходе устройства и соответственно коэффициента усиления.

При положительной обратной связи фазы входного и выходного сигналов совпадают, что приводит к увеличению U_ВЫХ и, соответственно, увеличению коэффициента усиления К. При отрицательной – не совпадают, что приводит к уменьшению U_ВЫХ и К. Снижение коэффициента усиления К в современных усилителях за счёт отрицательной обратной связи не является значимым фактором, так как используются усилители с большими коэффициентами усиления (имеется значительный запас по величине К).

Положительная обратная связь применяется в основном в генераторах сигналов, а отрицательная – в усилителях сигналов. Отрицательная обратная связь позволяет значительно улучшить электрические свойства усилителя, но усложняет его конструкцию, т.к. из-за уменьшения коэффициента усиления К применяется большее число каскадов усиления.

Сдвиг фазы при передаче сигнала через усилитель и цепь ОС зависит от частоты, поэтому фазовый сдвиг изменяется в широких пределах. В соответствии с этим изменяется и характер ОС. Поэтому, когда говорят, что в усилителе существует положительная обратная связь или отрицательная обратная связь, то имеют в виду её характер в основной части частотного диапазона, главным образом в области средних частот.

Причины возникновения обратной связи в усилителе следующие:

а) физические свойства и особенности конструкции усилительных приборов. Такую обратную связь называют внутренней обратной связью;

б) введение в схему специальных цепей обратной связи. Такую обратную связь называют внешней обратной связью;

в) паразитные связи (ёмкостные, индуктивные, гальванические и др., например, из-за близкого расположения при монтаже деталей, соединительных проводов входных и выходных цепей усилителя и т.д.).

В усилительных устройствах применяются внешние обратные связи – в основном отрицательную и иногда, в частотно-избирательных усилителях, – положительную.

В простейшем виде цепь внешней обратной связи состоит из проводников и пассивных радиодеталей – резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т.д., соединённых определённым способом.

Внутренняя связь и паразитная обратная связь не поддаются расчёту, поэтому их (в основном положительную) ослабляют различными способами и методами, чтобы они не влияли на свойства усилителя. Например, паразитные обратные связи, являющиеся источником самовозбуждения усилителей, устраняют помещая трансформаторы в стальные или пермаллоевые[1] экраны, используют рациональный монтаж, применяют экранированные провода, развязывающие фильтры в цепи питания и т.д.

Виды обратной связи. В усилителях, помимо деления обратной связи на положительную и отрицательную, проводят классификацию по виду обратной связи, который определяется: способом получения сигнала обратной связи, способом подачи (введения) энергии обратной связи, зависимостью коэффициента передачи от частоты, количеством петлевого усиления.

По способу получения (снятия) сигнала обратной связи различают обратную связь по напряжению, току и смешанную (по току и напряжению).

При обратной связи по напряжению напряжение обратной связи U_ОС пропорционально U_ВЫХ усилителя. На рис.2 приведены структурные схемы усилителей с ОС по напряжению.

а) б)

Рис.2. Схемы получения (снятия) ОС по напряжению

На схеме вход цепи ОС подключается параллельно сопротивлению нагрузки R_H. Напряжение U_ОС на входе цепи ОС может быть равно напряжению на выходе усилителя U_ВЫХ (см.рис.2,а) или пропорционально ему (рис.2,б), если снимается с делителя R1, R2.

При обратной связи по току сигнал ОС пропорционален току через нагрузку R_Н. При ОС по току (рис.3,а) вход цепи ОС (цепи с β) подключается последовательно с нагрузкой R_Н c помощью резистора R_ОС. Напряжение на входе цепи ОС прямо пропорционально току I_Н через нагрузку R_Н.

а) б)

Рис.3. Схемы получения (снятия) ОС по току (а) и комбинированная (б)

В случае смешанной ОС по напряжению и по току (рис.3,б) с помощью резистора R2 создаётся ОС по напряжению, а с помощью резистора R_ОС – ОС по току. Напряжение на входе цепи ОС (цепи с β) пропорционально как выходному напря­жению U_ВЫХ, так и току I_Н через нагрузку.

Из рис.2 и рис.3 видно, что в режиме короткого замыкания нагрузки обратная связь по напряжению исчезает, а по току – сохраняется.

В режиме холостого хода (R_H → ∞)обратная связь по напряжению сохраняется, а по току исчезает. Эти положения следует учитывать при определении вида обратной связи в конкретных усилительных схемах.

По способу подачи напряжения обратной связи на вход усилителя схемы обратной связи могут быть последовательными и параллельными.

При последовательной ОС (рис.4,а) выходная цепь ОС (выход цепи с β) относительно входной цепи усилителя без ОС включена последовательно с эдс источника сигнала, поэтому напряжение ОС U_OC действует последовательно с эдс входного сигнала относительно входных клемм 2-2 усилителя без ОС. При отрицательной последовательной ОС во входной цепи вычитаются напряжения входного сигнала U_ВХ и сигнала обратной связи U_OC.

а) б) в)

Рис.4. Схемы последовательной (а), параллельной(б) и комбинированной (в) ОС

Для осуществления параллельной ОС (рис.4,б), выход цепи ОС (клеммы 3-3) подключён относительно входной цепи усилителя (клеммы 2-2) параллельно источнику эдс сигнала (клеммы 1-1), поэтому U_ВХ = U_ОС. При отрицательной параллельной ОС во входной цепи вычитаются токи входного сигнала и сигнала обратной связи.

В случае комбинированной ОС (рис.4,в) U_ОС = U_ОС1 + U_ОС2, где U_ОС1 – напряжение обратной связи, снимаемое с R2, а U_ОС2 – напряжение обратной связи, снимаемое с R3. При этом напряжение U_ОС2 действует относительно входных зажимов 2-2 последовательно с эдс источника входного сигнала, a U_ОС1 – параллельно эдс.

Практически в электронных усилителях применяется последовательная ОС по напряжению и последовательная ОС по току, а также параллельная ОС по напряжению и параллельная ОС по току. Чаще всего используют последовательную обратную связь по напряжению (рис.4,а), которая стабилизирует выходное напряжение усилителя при изменении сопротивления нагрузки.

Если в рабочем диапазоне частот коэффициент передачи цепи обратной связи β зависит от частоты, то обратная связь называется частотно-зависимой ОС.

Сниматься сигнал обратной связи может с выхода всего устройства или с какого-либо промежуточного каскада и подаваться как на вход всего устройства, так и во входную цепь промежуточного каскада.

а) б)

Рис.5. Структурные схемы усилителей: а – с общей и местной петлёй, б – с общей петлёй

Обратную связь, охватывающую один каскад (цепь с β₁), принято называть местной (рис.5,а), а, охватывающую весь многокаскадный усилитель, – общей (цепь с β₂ на рис.5,а и цепь с β на рис.5,б).

Цепь отрицательной обратной связи с частью схемы усилителя, к которой она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлёй обратной связи. Усилители могут быть с одной петлёй – однопетлевая ОС или с многопетлевой ОС.

При охвате петлёй связи нескольких каскадов усилителя могут возникнуть фа­зовые сдвиги сигнала из-за наличия реактивных элементов, что может привести к искажениям сигнала и даже самовозбуждению усилителя на отдельных частотах. Особенно это относится к транзисторным усилителям, так как параметры транзисторов даже в области нижних частот комплексные. Поэтому чаще всего общей петлёй обратной связи охватывают не более двух каскадов усилителя, а остальные каскады, если требуются высокие электрические показатели, охватывают местными петлями связи.

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 1598; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!