ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
Лабораторная работа №11
Исследование влияния обратной связи на параметры усилителя В различных радиоэлектронных устройствах широко применяется обратная связь (ОС). Она осуществляется подачей части напряжения или тока с выхода устройства на его вход. Обратная связь применяется, например, в автогенераторах, генерирующих высоко- или низкочастотные колебания; очень широко ее используют в усилителях. Если в автогенераторах применяется положительная обратная связь, поддерживающая колебания, то в усилителях обычно применяется отрицательная обратная связь, позволяющая уменьшить нелинейные искажения и нестабильность усиления, а также изменить в желательную сторону входное и выходное сопротивления.
1. Влияние ОС на коэффициент усиления.
Структурную схему усилителя с обратной связью (рис. 1) можно представить в следующем виде:
Рис.1. Структурная схема усилителя с обратной связью
Усилитель имеет в направлении, показанном стрелкой, коэффициент передачи напряжения, равный (1)
где (Uвых — напряжение на выходе усилителя; Uвх — напряжение на его входе. Цепь обратной связи служит для передачи напряжения обратной связи. Его коэффициент передачи в направлении, указанном стрелкой, (2) где Uос — напряжение обратной связи, передаваемое с выхода усилителя на его вход. Это напряжение является частью выходного напряжения. В зависимости от разности фаз внешнего сигнала и сигнала на выходе цепи ОС, фаза которого по отношению к внешнему сигналу может изменяться при прохождении по петле ОС, коэффициент β принимает различный знак. Так при разности фаз, равной 0° (ПОС – положительная обратная связь) он принимает положительный знак и изменяет свое значение от 0 до +1, а при разности фаз, равной 180° (ООС – отрицательная обратная связь), знак его отрицательный и значение изменяется от 0 до —1. Коэффициент b показывает, какая часть выходногонапряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно b<1, поэтому он обычно является пассивным линейным четырехполюсником. Напряжение обратной связи равно:
(3) Иначе говоря, выходное напряжение, измененное в β раз, возвращается обратно на вход каскада. На входе усилительного каскада суммируются напряжение от внешнего источника и напряжения ОС, принимая во внимание (3), получаем:
(4)
Активный элемент (АЭ) усилителя усиливает сигнал на его входе, т.е. выходное напряжение равно: Uвых=KUвх¢ (5)
По отношению к сигналу от внешнего источника коэффициент усиления окажется равным:
(6) Тогда в окончательном виде выражение для коэффициента усиления каскада с ОС: (7) Знак при произведении βК, называемом коэффициентом петлевого усиления, совпадает со знаком, соответствующим положительной или отрицательной ОС. Поэтому выражение (6) перепишем в виде для ПОС (8) для ООС (9) Выражения (8) и (9) определяют изменение усиления от введения ОС и зависимость свойств усилителя от параметров цепи ОС. Они являются основными для расчета усилителей с любым видом ОС (в зависимости от способа введения и снятия ОС изменяется только формула определения коэффициента ОС). Знаменатель выражения (9) F = 1+βК показывает, на сколько изменяется сквозной коэффициент усиления каскада при введении ОС и называется глубиной ОС. От его абсолютного значения, как это будет показано далее, существенно зависят все основные параметры усилителя, изменяясь пропорционально ему. При расчетах обычно задаются первоначальным значением F от 2 до 4. При F < 2 ОС сравнительно мало влияет на свойства усилителя, а при F > 4 значительно уменьшается первоначальный коэффициент усиления. При βК=1 коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью, обращается в бесконечность. Фактически это означает, что на выходе усилителя имеется напряжение при отсутствии напряжения Uвх приложенного извне, т. е. усилитель самовозбуждается и превращается в генератор.
2. Повышение стабильности усиления и расширение полосы пропускания Коэффициент передачи усилителя может изменяться вследствие температурного изменения параметров транзисторов, замены транзисторов, изменения питающих напряжений и других причин. Покажем, что усилитель с глубокой отрицательной обратной, связью имеет высокую стабильность усиления. Действительно из формулы (9) при Кb>>1 получим: (10) Таким образом, при глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления Кос не зависит от Ки, следовательно, не изменяется при изменении К. Коэффициент обратной связи b обычно определяется делителем, состоящим из пассивных элементов. Поэтому он весьма стабилен. В общем случае, когда по тем или иным причинам коэффициент усиления изменяется на DКос, коэффициент Кос также изменится на некоторую величину DКос. Учитывая, что lnКос=lnК-ln(1-bK), после дифференцирования получаем:
(11)
Значит, относительные изменения коэффициентов усиления Коси Ксвязаны соотношением
(12) Отсюда видно, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью, в (1-bK) раз меньше. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада представляет собой зависимость его коэффициента усиления К от частоты f усиливаемых колебаний (рис.2). Фазо-частотная характеристика усилительного каскада представляет собой зависимость вносимого им фазового сдвига φ от частоты колебаний f и в дальнейшем ее рассмотрение мы опустим.
Рис.2. Амплитудно- частотные характеристики усилителя
Реактивные элементы — конденсаторы, катушки индуктивности, содержащиеся в усилителе, а также частотные свойства самого АЭ обусловливают зависимость коэффициента усиления от частоты и возникновение фазового сдвига. Вызванное их влиянием неравномерное усиление в диапазоне частот приводит к частотным и фазовым искажениям. Частотные искажения оценивают по отклонению реальной АЧХ от горизонтальной прямой. Это отклонение выбрано мерой частотных искажений, ограничивающей весь диапазон частот от (0 до ∞) определенной полосой их пропускания с граничными частотами fн на левом склоне полосы пропускания и fв на правом. Середине полосы пропускания отвечает средняя частота fcp = √fнfв. В области частот от fн до fв (область так называемых средних частот) считают, что коэффициент усиления имеет постоянное значение и все остальные параметры можно принять не зависимыми от частоты. Обычно нижняя граничная частота fн и верхняя граничная частота fв выбираются на уровне, на котором усиление меньше в √2 (0,707) раз, или на 3 дБ, чем его значение на средней частоте fср. Для УНЧ за среднюю обычно принимают 1 кГц. В области нижних частот ограничение полосы УНЧ обусловлено разделительными и развязывающими конденсаторами. В области верхних частот предельное ограниченно пропускания УНЧ вызвано ухудшением усилительных свойств транзистора, а также наличием паразитных, монтажных емкостей. С повышением частоты емкостное сопротивление падает, стремясь к нулю при fв→∞. При усилении сигналов звуковых частот частотные искажения приводят к изменению тембра звука, а при усилении телевизионных и других сложных сигналов они могут существенно изменить форму выходного сигнала. Оценку частотных искажений проводят по нормированной АЧХ, у которой по оси ординат отложены отношения коэффициента усиления на любой частоте к коэффициенту усиления на средней частоте. Тогда отсутствие частотных искажений выражается прямой линией, проходящей на единичном уровне нормированной АЧХ. Так же нормируют и частоту, откладывая по оси абсцисс отношение текущей частоты к одной из граничных частот (для УНЧ), либо к резонансной частоте (для УВЧ или УПЧ). Предположим, что без ОС каскад усилителя имеет АЧХ, показанную рис. 2 (кривая А). Под действием ОС согласно формуле (7) изменяется коэффициент усиления каскада, а, следовательно, и напряжение на его выходе. Последнее приводит к изменению напряжения ОС и результирующего напряжения на входе каскада. Однако изменение усиления каскада даже с частотно-независимой ОС происходит неравномерно в полосе частот и на ее краях. Это объясняется тем, что глубина ОС получается неодинаковой в пределах полосы частот и на ее краях. На средних частотах коэффициент усиления максимален. Следовательно, максимально и напряжение как ПОС, так и ООС. Поэтому увеличение усиления (при ПОС) и его уменьшение (при ООС) будут наибольшими. На краях полосы, где коэффициент усиления падает, уменьшается и напряжение ОС. Поэтому коэффициент усиления на краях повышается (при ПОС) или снижается (при ООС) меньше, чем в области средних частот. В результате происходит сужение полосы пропускания при ПОС (кривая В на рис. 2) и ее расширение при ООС (кривая Б на рис. 2). Чем больше петлевое усиление βК, тем эффективнее проявляется действие ОС: при ООС АЧХ становится равномернее, а при ПОС сильнее сужается. Естественно, что граничные частоты, определяющие полосу пропускания, становятся иными, чем без ОС. Увеличение глубины ООС приближает форму АЧХ к идеальной. Однако следует иметь в виду, что при большом числе каскадов и достаточно глубокой ООС может произойти подъем усиления на крайних частотах полосы пропускания (даже при спаде усиления на этих частотах до введения ОС). Этот подъем вызван появлением в этом случае ПОС. При охвате ОС меньшего числа каскадов (одного-двух) или при не очень глубокой ОС выбросы получаются небольшими. Их можно использовать полезным образом для некоторого расширения полосы равномерно пропускаемых частот.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|