Свойства усилителей с отрицательной обратной связью
В большинстве электронных схем, использующих усилители, применяются цепи обратной связи, предназначенные для изменения характеристик усилителей в нужном направлении, создания генераторов, систем стабилизации и авторегулирования.
Обратной связью называют передачу сигнала (или его части) с выхода некоторого электронного устройства на его вход. Обратная связь бывает двух типов: положительная и отрицательная.
Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления, но уменьшает устойчивость работы усилителя и неблагоприятно сказывается на ряде важнейших параметров. Поэтому в чистом виде положительную обратную связь применяют только в схемах генераторов, а в схемах усилителей ее применяют исключительно редко. Иногда применяют одновременно и положительную, и отрицательную обратные связи, что дает возможность получить ряд новых свойств усилителя. В схемах усилителей, как правило, используют только отрицательную обратную связь.
Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но одновременно значительно улучшает другие важнейшие параметры и характеристики усилителя, что и обусловливает ее широкое применение.
21
Рисунок 3.1
На рисунке 3.1 показана блок-схема усилителя с коэффициентом усиления Ko, охваченного цепью отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи сигнала β.
Через цепь обратной связи часть сигнала с выхода усилителя βU2 подается последовательно с источником входного сигнала на вход усилителя, так что U1=E+βU2. Это соотношение совместно с выражением U2=-KoU1 дает возможность определить коэффициент усиления по напряжению усилителя с отрицательной обратной связью:
|
|
|
Поскольку 1+βKo>1, то из формулы (3.1) видно, что коэффициент усиления Ku усилителя, охваченного цепью отрицательной обратной связи, меньше коэффициента усиления Kо усилителя без обратной связи.
Отрицательная обратная связь, показанная на рисунке 3.1, называется последовательной обратной связью по напряжению. При этом типе связи напряжение обратной связи, переданное с выхода усилителя, вычитается из напряжения источника сигнала. При этом увеличивается входное сопротивление усилителя, уменьшается коэффициент усиления напряжения и не меняется коэффициент усиления тока. Одновременно уменьшается выходное сопротивление усилителя и расширяется полоса пропускания частот.
22
На рисунке 3.2 изображена блок-схема усилителя, охваченного параллельной отрицательная обратная связью по напряжению, при которой ток обратной связи вычитается из входного тока. При этом типе связи уменьшает входное сопротивление усилителя, уменьшает коэффициент усиления тока и не меняет коэффициента усиления напряжения.
|
|
|
Рисунок 3.2 На рисунке 3.3 изображена блок-схема усилителя, охваченного
параллельной отрицательная обратная связью по току.
В этой схеме напряжение отрицательной обратной связи пропорционально выходному току. Этот тип обратной связи увеличивает выходное сопротивление усилителя и может привести к сокращению полосы пропускания.
Рисунок 3.3
Конкретный выбор вида обратной связи определяется тем, в каком направлении требуется изменить параметры усилителя.
23
Правильно сконструированная цепь отрицательной обратной связи прежде всего делает коэффициент усиления менее зависимым от таких воздействий, как влияние температуры, изменение напряжения питания, изменение параметров нагрузки, смена транзисторов или интегрального усилителя. Отрицательная обратная связь позволяет уменьшить нелинейные искажения и расширить полосу усиливаемых частот. В большинстве случаев действует закономерность: во сколько раз за счет отрицательной обратной связи уменьшился коэффициент усиления (тока или напряжения), во столько же раз изменился в благоприятную сторону интересующий нас параметр — нестабильность усиления, коэффициент нелинейных искажений, входное и выходное сопротивления усилителя. Наилучшие результаты получаются в пределах полосы пропускания исходного усилителя без обратной связи. Вне этой полосы частот, а также вблизи границ ее стабилизирующее и улучшающее действие отрицательной обратной связи снижается. Это связано с фазовыми сдвигами в схеме усилителя и в цепи отрицательной обратной связи, в силу чего обратная связь перестает быть чисто отрицательной. Наиболее же сильные фазовые сдвиги как раз наблюдаются за пределами полосы пропускания исходного усилителя. Как известно, любая электрическая цепь, состоящая из одного активного (R) и одного реактивного (L или С) элементов, создающая амплитудно-частотные искажения, одновременно является фазосдвигающей. При изменении частоты от нуля до бесконечности одна такая цепочка создает фазовый сдвиг, достигающий π/2 радиан. Две такие цепи могут дать фазовый сдвиг, равный π, в результате чего отрицательная обратная связь превращается в положительную со всеми нежелательными последствиями. Однако для усилителя, содержащего вместе с цепью обратной связи две фазосдвигающие цепи, такой переход может произойти только на нулевой или бесконечно большой частоте, где коэффициент усиления падает до нуля.
|
|
|
|
|
|
24
Поэтому усилитель не самовозбуждается и на всех частотах сохраняется устойчивость усиления при любой глубине обратной связи.
Если же имеются три или более фазосдвигающие цепочки, то переход отрицательной обратной связи в положительную происходит на конечных частотах, близких к границам полосы пропускания усилителя с обратной связью. Это приводит к увеличению неравномерности амплитудно-частотной характеристики усилителя, а при достаточной глубине обратной связи — к самовозбуждению усилителя.
Наиболее склонны к самовозбуждению усилители с одинаковыми параметрами фазосдвигающих цепей. Соответствующая частотно-фазовая коррекция может повысить устойчивость усиления, однако получить глубокую отрицательную обратную связь в широкой полосе частот при наличии более чем двух фазосдвигающих цепочек затруднительно.
Каждый каскад усиления обычно имеет не менее одной фазосдвигающей цепочки, действующей в области высоких частот, и, возможно, имеет одну или нисколько фазосдвигающих цепочек, действующих в области низких частот. Цепь отрицательной обратной связи в лучшем случае можно создать без фазосдвигающих элементов. Поэтому нежелателен охват цепью обратной связи более двух каскадов усиления.
Если же число усилительных каскадов велико, то лучше разбить усилитель на отдельные ячейки со своей местной отрицательной обратной связью. В каждой такой ячейке желательно иметь не более двух каскадов усиления.
Однокаскадный усилитель не всегда можно охватить тем видом обратной связи, который нужен. Получить глубокую отрицательную обратную связь в однокаскадном усилителе не удается по причине недостаточного усиления каскада.
Для однокаскадного усилителя с отрицательной обратной связью справедлива закономерность: во сколько раз под воздействием обратной
25
связи уменьшается коэффициент усиления, во столько раз увеличивается верхняя граничная частота полосы пропускания и уменьшается нижняя. В двухкаскадном усилителе с отрицательной
обратной связью коэффициент усиления уменьшается быстрее, чем расширяется полоса усиливаемых частот: сказывается действие увеличившихся фазовых сдвигов. Еще в меньшей степени расширяется полоса пропускания многокаскадных усилителей с отрицательной обратной связью.
Таким образом, оптимальное число каскадов в широкополосной усилительной ячейке с отрицательной обратной связью равно двум. Если же при построении усилителя с отрицательной обратной связью преследуется цель не расширения полосы пропускания, а повышения стабильности усиления, то иногда можно охватывать цепью отрицательной обратной связи число каскадов, большее двух, используя при этом методы частотной коррекции, предотвращающей возможность самовозбуждения усилителя.
Цепи нелинейных положительных и отрицательных обратных связей широко используются в схемах генераторов гармонических колебаний для стабилизации амплитуды. В конечном счете увеличение амплитуды в схеме генератора гармонических колебаний всегда ограничивается какими-то нелинейными эффектами. Например, с появлением отсечки тока уменьшается коэффициент усиления сигнала генерируемой частоты. Однако установившаяся амплитуда колебаний при перестройке частоты может меняться в недопустимо широких пределах. Чтобы амплитуда генерируемого сигнала слабо зависела от разного рода воздействий применяют специальные нелинейной цепи, приводящей к резкой зависимости величины положительной обратной связи от амплитуды колебаний. В этом случае сравнительно легко можно получить стабильность амплитуды порядка 1 %.
Использование положительной обратной связи в нелинейном усилителе превращает его в триггер с резко выраженными пороговыми
26
свойствами. Триггер находит многочисленные применения, в частности для преобразования периодических сигналов в прямоугольные импульсы и для генерации пилообразных и прямоугольных импульсов.
Цепи отрицательной обратной связи нашли широкое применение в различного рода стабилизаторах: напряжения, тока, температуры, частоты вращения и т. д. Во всех этих схемах вырабатывается сигнал управления, являющийся сигналом отрицательной обратной связи, приводящей к стабилизации интересующего параметра.
Подробное изложение общих свойств усилителей с обратными связями с соответствующим математическим обоснованием можно найти в монографиях и учебных пособиях, посвященных теории усилительных схем. В нашей работе основное внимание уделено практической стороне вопроса.
Операционные усилители
Введение
Операционные усилители - это основной тип интегральных усилителей, который очень часто используется в различных электронных схемах. Первоначально операционные усилители были разработаны для использования их в аналоговых вычислительных устройствах, отсюда их название. Однако в настоящее время область их применения намного шире.
Общие сведения
Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы.
Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы и имеющий огромный коэффициент усиления напряжения. Каждый ОУ содержит:
входной балансный каскад (дифференциальный усилитель на биполярных или полевых транзисторах);
каскад дополнительного усиления; выходной каскад усиления мощности.
Полная принципиальная схема ОУ содержит многочисленные триодные цепи и необходимые для работы усилителя резисторы. Они обеспечивают усиление сигнала, температурную стабильность, равенство потенциалов входов ОУ, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, защиту схемы от перегрузок.
Дифференциальный усилитель представляет собою усилитель постоянного тока. С целью уменьшения дрейфа нуля он собран по балансной схеме. Оконечным каскадом усилителя мощности часто является эмиттерный повторитель, что позволяет уменьшить выходное сопротивление ОУ.
Все каскады ОУ связаны между собой гальванически, без применения разделительных конденсаторов. ОУ имеет два входа: инвертирующий вход «–» и неинвертирующий вход «+». Сигнал, поданный на вход «+», усиливается и на выходе ОУ образуется усиленный сигнал синфазный с входным сигналом, т.е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе.
Если подать сигнал на вход «–», то он не только усиливается, но и изменяется по фазе (инвертируется) на 180o , т.е. входной и выходной сигналы находятся в противофазе. При отсутствии сигналов оба входа и выход ОУ находятся под нулевыми потенциалами.
28
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1490; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!