Обратная связь в усилителях 1 страница

.

2.1.3.2 Коэффициент усиления. Коэффициент усиления является одним из наиболее важных параметров усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины, различают коэффициенты усиления напряжения K_U, тока K_I и мощности K_P.

Коэффициент усиления напряжения (передачи напряжения) усилителя – это отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений:

. (2.3)

Коэффициент усиления определяют в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.

Коэффициентом усиления тока называется отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного токов:

. (2.4)

Отношение мощности усиленного колебания в нагрузке к мощности сигнала, подаваемого на вход усилителя, называется коэффициентом усиления мощности:

. (2.5)

При последовательном соединении нескольких усилительных каскадов общий коэффициент усиления системы определяется как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов:

. (2.6)

На практике коэффициенты усиления часто выражают логарифмическими единицами – децибелами. Коэффициент усиления мощности можно представить следующим образом

. (2.7)

Если мощности Р_Н и Р_вх выделяются на одинаковых сопротивлениях (R_Н = R_вх = R), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений

. (2.8)

Аналогично можно записать и для коэффициента усиления тока

. (2.9)

Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления заменить сложением, то есть

. (2.10)

При наличии в каскадах усилителя реактивных элементов (индуктивностей, разделительных и блокировочных конденсаторов, емкостей р - п -переходов транзисторов и пр.) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину, зависящую от частоты

, (2.11)

где K (w) – модуль комплексного коэффициента усиления;

j(w) – аргумент комплексного коэффициента усиления, представляющий собой разность фаз выходного и входного сигналов.

2.1.3.3 Линейные искажения. Предположим, что коэффициент усиления K (w) не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в K раз и по фазе на угол j.

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как K – комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель будут изменяться по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями.

В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления K в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме) и фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, а фазовые – с помощью фазочастотной характеристики.

2.1.3.4 Нелинейные искажения. Как известно из теоретических основ электротехники, если электрическая цепь содержит хоть один нелинейный элемент, то такая цепь называется нелинейной. В состав усилителей входят элементы (приборы), имеющие нелинейные ВАХ – транзисторы, диоды, магнитопроводы, полупроводниковые конденсаторы микросхем и др. Поэтому, если не обеспечить функционирование названных приборов в пределах линейных участков ВАХ, то коэффициент усиления усилителя будет зависеть от амплитуды входного сигнала, что, в свою очередь, будет вызывать нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

Таким образом, под нелинейными искажениями понимают изменения формы усиливаемого колебания, вызванные зависимостью коэффициента усиления усилителя от амплитуды входного сигнала.

При прохождении сигнала через нелинейное устройство (усилитель) происходит изменение его спектрального состава – появляются высшие гармоники в его спектре. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. Нелинейные искажения сигнала в усилителях принято оценивать с помощью коэффициента гармоник.

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

. (2.12)

Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения гармоник, причем вместо напряжений можно оперировать токами или мощностями

. (2.13)

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

В различных по назначению усилителях предъявляют разные требования к величине коэффициента гармоник, который, как правило, выражают в процентах. Так, например, для вещательной аппаратуры с высоким качеством воспроизведения речи и музыки он не должен превышать 1 … 2%, для устройств среднего качества – 5 … 7%. В усилителях звуковых частот класса Hi-Fi обычно обеспечивают K_г = 0,3 … 0,5%. Как показывает практика, если коэффициент гармоник не превышает 0,2 … 0,5 %, то нелинейные искажения на слух практически незаметны.

2.1.3.5 Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия (КПД) h усилителя характеризует экономичность расходования энергии источника питания. Обычно он измеряется при усилении гармонического колебания частоты 1 кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет собой отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания:

. (2.14)

Разность Р _S – Р_Н = Р_пот является мощностью потерь в усилителе.

Чем выше КПД усилителя, тем меньше мощность потерь в нем, которая превращается в тепло. Например, для предотвращения перегрева оконечных транзисторов их приходится снабжать радиаторами, размеры которых могут быть тем меньше, чем выше КПД. Таким образом, КПД усилителя косвенно характеризует также его удельные размеры и массу (на единицу выходной мощности).

2.1.3.6 Собственные помехи. Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, подведенный к его входу, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него ипоэтому называемые собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки и шумы, а в усилителях постоянного тока – еще и дрейф нуля.

Фон – это колебание с частотой питающей сети или кратной ей. Обычно оно попадает в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя источника напряжения (при питании от сети переменного тока). В ламповых усилителях дополнительным источником фона являются цепи накала катодов, если они питаются переменным током.

Наводками называются помехи, наводимые на цепи усилителя электрическими и магнитными полями. Источниками этих помех могут быть сетевой трансформатор блока питания, его соединительные провода, провода электросети или какие-либо электроустановки.

Для количественной оценки фона и наводок используют отношение их напряжения на выходе усилителя к выходному гармоническому напряжению, соответствующему номинальной выходной мощности. Для качественных усилителей напряжение фона не должно превышать – 60... – 70 дБ.

Собственные шумы усилителя представляют собой флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных носителей заряда (электронов и дырок) во всех электропроводящих материалах, из которых выполнены детали усилителя.

Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материалов и поэтому очень слабые. Но, будучи усиленными многокаскадным усилителем, они могут оказаться соизмеримыми с уровнем полезного сигнала. В отличие от фона и наводок, полностью устранить собственные шумы усилителя принципиально невозможно.

Дрейфом нуля называют медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов. Дрейф в основном проявляется в усилителях постоянного тока. Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа, пересчитанным ко входу. Так же оценивают иногда и уровень фона.

2.1.3.7 Амплитудно- и фазочастотная характеристики. Как показано ранее, в общем случае коэффициент усиления усилителя является комплексной величиной. Поэтому для коэффициента усиления напряжения можно записать:

. (2.15)

Как видно из приведенной формулы, модуль и аргумент комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя являются функциями частоты.

Зависимость модуля комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты (K (w)) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Типовая АЧХ усилителя звуковых частот изображена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Типовая амплитудно-частотная характеристика усилителя

Для АЧХ усилителя типичным является наличие так называемой области средних частот,в пределах которой K_U почти не зависит от частоты и принимает свое максимальное значение K_{U 0}. Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления.

В области нижних и верхних частот АЧХ обычно спадает (коэффициент усиления напряжения уменьшается). Частоты, на которых модуль комплексного коэффициента усиления напряжения уменьшается относительно своего максимального значения в раз (на рисунке 2.5 этот уровень показан как 0,707 K_{U 0}), называются граничными частотами усилителя (или частотами среза АЧХ): f_н (w _н)и f_в (w _в) – соответственно нижняя и верхняя граничные частоты. Диапазон частот от w _н до w _в называется полосой пропускания усилителя: .

По АЧХ усилителя можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот. Характеристикой частотных искажений является коэффициент частотных искажений, определяемый из отношения

, (2.16)

где K_Uf – коэффициент усиления по напряжению на заданной частоте.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах полосы пропускания, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах. Обычно принимают M_н = M_в = , то есть на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30 … 20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300 … 3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать широкополосные усилители, полоса пропускания которых занимает диапазон частот от единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

Зависимость аргумента комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты j(w) называется его фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Типовая ФЧХ усилительного каскада показана на рисунке 2.6 сплошной линией.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения. Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (штрихпунктирная линия на рисунке 2.6), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал D t. Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

. (2.17)

Рисунок 2.6 – Фазочастотная характеристика усилителя

Из рисунка 2.6 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот. Вчастности, в усилителе звуковых частот на граничных частотах угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами по сравнению с этим параметром в середине полосы пропускания составляет .

В многокаскадном усилителе коэффициент частотных искажений определяется как произведение соответствующих коэффициентов всех каскадов

, (2.18)

а фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями – как алгебраическая сумма фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами

. (2.19)

2.1.3.8 Переходная характеристика. Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения и_вых(t) усилителя от времени при подаче на его вход скачкообразного перепада напряжения и_вх(t). Переходная характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного стационарного состояния в другое, когда входное воздействие скачком изменилось на некоторую величину, условно принимаемую за единицу.

Переходную характеристику h (t)подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рисунок 2.7), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения в каждый момент времени t к его значению в установившемся режиме: h (t) = u_вых (t) /U_{вых 0}. На практике ПХ, в основном, используют для оценки искажений импульсных сигналов при прохождении ими через усилитель.

Искажения скачкообразного (импульсного) напряжения делят на два вида: искажения связанные с нарастанием напряжения, и искажения его вершины. Первые оценивают временем нарастания (установления) t_нар и выбросом d, вторые – спадом вершины D или ее непостоянством. Временем нарастания называется время, в течение которого фронт нормированной ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9.

Рисунок 2.7 – Переходная характеристика усилителя

Выбросом называется максимальное превышение мгновенного значения напряжения над установившимся значением. Выброс выражают в процентах от установившегося значения напряжения. При колебательном характере процесса может иметь место несколько заметных выбросов в переходной характеристике. Оценке подлежит обычно наибольший из них.

Спад верхней части нормированной ПХ также измеряется в процентах от установившегося значения выходного напряжения. Он может быть положительным и отрицательным (подъем).

В усилителях для высококачественного воспроизведения импульсных сигналов выброс d и спад D обычно не должны превосходить 10%.

Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, называемый временным методом.

2.1.3.9 Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называется зависимость установившегося значения выходного напряжения от напряжения, подаваемого на вход усилителя. Типовая АХ усилителя показана на рисунке 2.8. Снимают амплитудные характеристики усилителей при синусоидальном входном сигнале для одной из частот, лежащих в полосе пропускания усилителя.

Рисунок 2.8 – Амплитудная характеристика усилителя

Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления K_U. Поэтому в идеальном случае амплитудная характеристика представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат, тангенс угла наклона которой определяет коэффициент усиления K_{U 0}. Однако в действительности АХ совпадает с прямой только в средней части 2, на участке АВ. Начальный участок 1 АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя напряжения собственных помех U_Ш. Верхний загиб АХ обусловлен наступлением перегрузки одного из каскадов усилителя (переход усилительного элемента каскада в режим насыщения), чаще всего оконечного, в результате чего начинается ограничение выходного колебания.

Как видно из рисунка 2.8, при изменении входного напряжения в пределах от U_{вх 1} до U_{вх 2} усилитель можно считать линейным устройством, для которого существует линейная зависимость между приростами входного и выходного напряжений. Таким образом, АХ дает возможность определить пределы изменения U_вх, для которых усилитель с необходимой точностью можно рассматривать как линейное устройство.

В общем случае уровень сигнала, подаваемого на вход усилителя, не является величиной постоянной. Он может изменяться от некоторой минимальной величины U_{г мин} до максимальной U_{г макс}. Отношение

(2.20)

называется динамическим диапазоном сигнала.

Часто динамический диапазон сигнала выражают в логарифмических единицах:

. (2.21)

Динамический диапазон сигналов может изменяться в широких пределах. Так, например, динамический диапазон звучания симфонического оркестра составляет 70 … 80 дБ, речи диктора – 25 … 35 дБ и т. д. Чтобы в усилителе не происходило нелинейных искажений входного сигнала (то есть сохранялся его динамический диапазон), необходимо соблюдение условия , где

(2.22)

представляет собой динамический диапазон усилителя. В (2.22) в качестве U_{вх 1} и U_{вх 2} выступают соответствующие минимальное и максимальное входные напряжения, полученные из амплитудной характеристики усилителя (рисунок 2.8).

Сигнал, подаваемый на вход усилителя, может быть выделен среди собственных помех усилителя, если его уровень превышает уровень помех. Наиболее существенной шумовой составляющей, которая не может быть полностью скомпенсирована, является тепловой шум сопротивления, вызываемый флуктуационным движением электронов в объеме проводника. Наиболее существенное влияние оказывает шум входного сопротивления усилителя, шумовое напряжение которого U_ш в микровольтах может быть вычислено по формуле

, (2.23)

где R_вх – входное сопротивление первого каскада, кОм;

D f = f_в – f_н – полоса пропускания усилителя, кГц.

Если принять U_{вх 1} = (10 … 20) U_ш, то с достаточной для практики точностью можно полагать, что при этом в нижней части АХ начинается линейный участок.

2.2.1 Общие сведения и классификация

Обратной связью (ОС) называется явление передачи части энергии усиленных колебаний из выходной цепи усилителя в его входную цепь.

Причинами, способствующими передаче энергии с выхода на вход усилителя, могут быть:

а) физические свойства и конструктивные особенности применяемых транзисторов (наличие емкостей и индуктивностей выводов, емкостей р - п -переходов и пр.). Возникающая при этом ОС называется внутренней обратной связью;

б) неудачное расположение и монтаж усилительных каскадов, когда паразитные емкостные и индуктивные связи создают путь для передачи колебаний с выхода на вход. Обратные связи, возникающие в этом случае, называют паразитными;

в) специальные цепи, введенные конструктором для передачи колебаний с выхода усилителя на его вход с целью придать устройству нужные свойства. Такую обратную связь называют внешней обратной связью.

Из перечисленных видов ОС первые два являются нежелаемыми, поэтому конструктор вынужден принимать дополнительные меры к их устранению.

Цепь, по которой осуществляется передача энергии с выхода усилителя на его вход, называется цепью обратной связи.

Обычно цепь ОС представляет собой некоторый линейный пассивный четырехполюсник с коэффициентом передачи g, вход которого присоединен к выходу усилителя, а выход – ко входу усилителя (рисунок 2.9). В общем случае четырехполюсник ОС может быть линейным или нелинейным, с частотозависимым или частотонезависимым коэффициентом передачи.

Рисунок 2.9 – Усилитель с цепью обратной связи

Цепь обратной связи может быть общей, охватывающей все или несколько каскадов усилителя (рисунок 2.10, а, б), или местной, охватывающей отдельные каскады (рисунок 2.10, б, цепь ОС с коэффициентом передачи g₁).

а

б

Рисунок 2.10 – Виды обратных связей

При сложении колебаний источника сигнала с колебаниями, поступающими с выхода усилителя через цепь ОС, на входе усилителя образуется результирующее колебание. Результирующее колебание равняется сумме двух колебаний, если оба эти колебания складываются в фазе, или разности двух колебаний, если они складываются в противофазе. В первом случае имеет место положительная обратная связь (ПОС),во втором – отрицательная обратная связь (ООС).

Практическое совпадение или противоположность фаз возможно только в ограниченном диапазоне усиливаемых частот, так как присущие усилителям фазовые сдвиги изменяются с частотой. Это может привести к тому, что обратная связь, отрицательная для одних частот, превратится в положительную для других. Поэтому принято относить обратную связь к отрицательной или положительной по тому, какой знак она имеет в основной части диапазона усиливаемых частот (то есть в пределах полосы пропускания усилителя).

Положительная ОС находит применение в устройствах формирования сигналов различной формы, называемых автогенераторами. В усилителях используется только отрицательная обратная связь для улучшения их некоторых показателей. Положительная ОС в усилителях может возникать только как паразитная ОС, приводящая к самовозбуждению усилительных каскадов. С целью предотвращения этого явления приходится принимать дополнительные меры. В дальнейшем будем рассматривать только отрицательную обратную связь.

Внешнюю обратную связь, создаваемую с помощью специальной цепи обратной связи, всегда можно отнести к тому или иному виду, зная способ соединения этой цепи с усилителем.

Различают следующие четыре основных вида обратных связей в усилителе (первая часть названия определяет способ подключения выхода цепи ОС ко входу усилителя, а вторая – способ подключения входа цепи ОС к выходу усилителя):

- последовательная ОС по напряжению;

- параллельная ОС по напряжению;

- последовательная ОС по току;

- параллельная ОС по току.

Если источник входного сигнала соединен последовательно с входом усилителя и выходом цепи ОС, то обратная связь называется последовательной (рисунок 2.11, а). В этом случае сигнал обратной связи u_св подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом и_вх. Параллельная обратная связь имеет место тогда, когда цепь обратной связи включается параллельно источнику входного сигнала (рисунок 2.11, б). При параллельной обратной связи на входе усилителя происходит алгебраическое сложение (с учетом полярности или начальной фазы) токов, а не напряжений, как в случае последовательной обратной связи.

Таким образом, при последовательной отрицательной обратной связи в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается из напряжения источника сигнала, а при параллельной отрицательной обратной связи в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего источника сигнала.

а б

Рисунок 2.11 – Последовательная (а) и параллельная (б) ОС

По способу включения обратной связи на выходе усилителя различают обратную связь по напряжению и току. При обратной связи по напряжению выход усилителя, нагрузка и цепь обратной связи соединены параллельно друг другу (рисунок 2.12, а). В этом случае сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению усилителя. Если выход усилителя, нагрузка и цепь обратной связи соединены последовательно (рисунок 2.12, б), то имеет место обратная связь по току, при которой сигнал обратной связи пропорционален току через нагрузку.

а б

Рисунок 2.12 – ОС по напряжению (а) и по току (б)

Для определения, какая ООС имеет место, по току или по напряжению, необходимо учитывать следующее. В режиме короткого замыкания нагрузки (при R_Н = 0) обратная связь по напряжению исчезает, а по току – сохраняется. В режиме холостого хода (то есть при R_Н ® ¥) обратная связь по напряжению сохраняется, а по току – исчезает.

Дата добавления: 2015-05-06