Розрахунок підсилювачів із зворотним зв'язком. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Початківцю радіоаматору

 Коментарі до статті

Зворотний зв'язок (ОС) широко використовують у підсилювачах. ОС дозволяє значно покращити їх параметри, а в ряді випадків і створити на основі підсилювачів нові пристрої – тригери, генератори тощо. Узагальнена схема підсилювача з ОС показано на рис. 55.

Вхідний сигнал Uc і сигнал ОС Uoc подаються на суматор А1 і далі на підсилювач А2 з коефіцієнтом передачі (звичайно Кс>>1). Сигнал із виходу підсилювача Uo проходить через ланцюг ОС з коефіцієнтом передачі р (зазвичай р <<1), утворюючи сигнал зворотного зв'язку Uoc. Припустимо спочатку, що підсилювач, ні ланцюг ОС не вносять фазових зрушень. Тоді для випадку підсумовування сигналів А1 можна написати Uo = (Uc + UoC) Ko. У той самий час Uoc = βUo. Підставляючи, знаходимо коефіцієнт посилення всього пристрою:

Uo = UC.Ko(1-Koβ),

K = Uo/Uc = Ko/(1-Koβ).

Ми бачимо, що коефіцієнт посилення зростає і при Koβ = 1 перетворюється на нескінченність. А це означає самозбудження – підсилювач стає генератором. ОС такого виду називають позитивною (ПОС), її нерідко використовують при створенні генераторів, регенераторів тощо. В підсилювачах звукових частот вона практично ніколи не зустрічається.

Тепер давайте зробимо у вузлі А1 не підсумовування, а віднімання сигналів. Викладки залишаються тими самими, але у формулах зміниться знаки:

K = Uo/Uc = Ko/(1+Koβ).

ОС стала негативною (ООС) і тепер знижує посилення. Здавалося б, це її велика вада. Однак він цілком окупається іншими корисними якостями ООС, а отримання великого вихідного посилення (Ко) в сучасних пристроях транзисторних великої проблеми не представляє.

Перша корисна властивість ООС – зниження нелінійних спотворень. Завдання підсилювача – відтворити на виході точну копію вхідного сигналу, але з великою напругою та/або потужністю. Спотворений вихідний сигнал можна подати сумою неспотвореного сигналу та продуктів спотворень. Останніх немає у вхідному сигналі, але вони надходять із виходу на вхід через ланцюг зворотного зв'язку. А оскільки вона негативна, то продукти спотворень, що надходять із входу, як би компенсують самі себе, і частка їх у вихідному сигналі різко знижується.

Інша корисна якість ООС - вирівнювання та розширення АЧХ підсилювача. На тих частотах, де посилення більше, стає більшим і вплив ООС, що знижує цей пік посилення. Якщо Коβ>>1, то, як видно з формули, К - 1/β.

Виконавши ланцюг ООС у вигляді частотно-незалежного дільника із двох резисторів, ми отримуємо рівну АЧХ у широкому частотному діапазоні.

Є ще переваги: ​​якщо сигнал ООС знято з виходу підсилювача паралельно і подано на вхід послідовно з вхідним сигналом (у протифазі з ним, щоб здійснювалося віднімання), то вихідний опір підсилювача зменшується, а вхідний - збільшується.

Така сама примітивна теорія ОС, як ви вже, напевно, здогадуєтеся, що мало відповідає дійсності. Виявляється, не буває в якомусь широкому діапазоні частот чисто негативної або чисто позитивної ОС. Більше того, ООС на деякій частоті може перетворитися на ПОС. Так станеться, якщо підсилювач внесе фазовий зсув, що наближається до 180°, і сигнал ОС виявиться у фазі з вхідним. Якщо посилення достатньо, на цій частоті підсилювач самозбудиться і виправдається стара радіоаматорська приказка: "коли робиш підсилювач, виходить генератор".

Вирази, які ми привели, залишаються вірними, але з невеликим, хоч і дуже суттєвим застереженням - у них необхідно підставляти комплексні функції коефіцієнтів передачі самого підсилювача Ko(jω) і ланцюга ОС β(jω). Тоді і результат вийде правильним. Остання формула тепер запишеться так;

K(jω)=Ko(jω)/[1+β(jω)Ko(jω)].

Пояснимо сказане простим прикладом. Нехай є транзисторний підсилювальний каскад з коефіцієнтом посилення 100 (рис. 56).

Ланцюги зміщення для простоти не показані, хоча ланцюг ОС цілком може бути використана і для зміщення. Комплексний коефіцієнт передачі підсилювача визначається ланцюжком RC, де R утворено паралельним включенням опору навантаження R1 та опору дільника ОС R2 + R3:

R = R1 (R2 + R3)/(R1 + R2 + R3),

а ємність С = С1 складається з вихідної ємності транзистора, ємності монтажу та ємності вихідного екранованого кабелю (якщо він є). Загальний коефіцієнт передачі каскадно включених підсилювача та RC-ланцюжка знаходиться як їхній добуток:

Ko(jω) = 100-1/(1 +jωRC).

Бачимо, що, починаючи з деякої частоти ωс = 1/RC, модуль коефіцієнта передачі зменшується, причому швидкість його зменшення становить 2 рази на дворазове підвищення частоти, або 6 дБ на октаву. АЧХ (залежність модуля коефіцієнта передачі від частоти) нашого підсилювача в логарифмічному масштабі показано на рис. 57 тонкою лінією.

Знімемо сигнал ОС з виходу підсилювача паралельно (див. рис. 56) і, послабивши його дільником із частотно-незалежним коефіцієнтом передачі β=R3/(R2+R3)=0,09, подамо на вхід послідовно з вхідним сигналом. ОС виходить негативною, оскільки транзисторний каскад інвертує сигнал. При такому включенні ООС знизить вихідний та підвищить вхідний опір підсилювача в 1 + βКo, тобто в 10 разів. Знаходимо комплексний коефіцієнт передачі підсилювача з ООС

K(jω) = Ko(jω)/[1+β(jω)Ko(jω)] = 100/(1 +jωRC)[ 1+9/(1 + jωRC)] = 10/(1 + jωRC*) ,

де С * = З/10.

Що ми бачимо? Коефіцієнт посилення впав у 10 разів і став рівним 10. Зате частота зрізу АЧХ збільшилася в 10 разів, що означає таке розширення смуги пропускання підсилювача. Вигляд графіка модуля | K(jω) | залишився тим самим, він показаний потовщеною лінією на рис. 57. Жодних небажаних явищ (самовзбудження, піків на АЧХ) у цьому простому підсилювачі з ООС не спостерігається.

Інша річ, коли ООС охоплює кілька каскадів. Приклад практичної схеми підсилювача на трьох транзисторах із безпосереднім зв'язком між каскадами показаний на рис. 58.

Перші два транзистори працюють у так званому "бар'єрному" режимі, коли напруга на базі дорівнює колекторному і становить 0,5...0,6 В. Для посилення малих сигналів такий режим цілком придатний. Вихідний каскад (VT3) працює у звичайному режимі з колекторною напругою, що дорівнює половині напруги живлення.

Стабілізація режиму всіх трьох каскадів досягається подачею ООС з виходу підсилювача на вхід через резистор R4.

Він створює необхідний струм зміщення основою транзистора VT1. ООС подається паралельно із вхідним сигналом, тому вхідний опір підсилювача невеликий.

Нерідко у такому підсилювачі спостерігається самозбудження на високих частотах. Спроби усунути його шляхом додавання ємностей С1, С2, C3, як правило, безуспішні - збудження стає ще сильнішим, хоча частота генерації знижується. Причина полягає саме в цих ємностях, причому для збудження достатньо міжелектродних ємностей транзисторів. Погіршує справу та вхідна ємність С4. Допустимо, що всі чотири ланцюжки R1C1-R4C4 мають однакову постійну часу. Тоді на частоті зрізу вони зсувають фазу на 45° кожна, а сумі - на 180°.

Таким чином, ООС на частоті зрізу перетворюється на ПІС! Ослаблення сигналу ланцюжками на частоті зрізу становить лише 0.74 = 0,25, ще досить велике ослаблення вносить дільник, утворений резистором R4 і вхідним опором каскаду на транзисторі VT1, але й посилення може становити десятки тисяч. Навіть якщо посилення і мало для самозбудження, на АЧХ підсилювача з ООС утворюється зовсім непотрібний пік на найвищих частотах, як показано на рис. 59.

Такий пік залишиться і за різних постійних часу всіх RC-ланцюжків (точний розрахунок треба вести з урахуванням паралельного включення вхідних опорів транзисторів VT2, VT3 та резисторів R1, R2). Він буде на тій частоті, де сумарне фазове зрушення по всій петлі підсилювач - ланцюг ОС наближається до 180 °.

Як же позбутися цього неприємного ефекту? Спосіб тільки один - зробити петльове посилення (твір Кор) менше одиниці на тих частотах, де ООС перетворюється на ПОС. І тому можна, наприклад, значно збільшити ємність С4. знизивши таким чином частоту зрізу ланцюжка R4C4, а отже, і коефіцієнт передачі на високих частотах. Якщо шунтування входу значною ємністю небажане, можна послідовно включити з С4 резистор опором кілька кілоом (опір R4 зазвичай вимірюється мегаомами).

У ряді випадків таким резистором може бути низький вихідний опір джерела сигналу, конденсатор С4 в цьому випадку розділовий. Підсилювач буде стабільний при підключеному джерелі сигналу, але збудиться при його відключенні. Ще краще скласти резистор R4 з двох послідовно включених, а між точкою їх з'єднання та загальним дротом увімкнути конденсатор великої ємності.

Існують і витонченіші способи частотної корекції, наприклад, за допомогою пропорційно-інтегруючих ланок (рис. 60). Опір резистора R2 (рис. 60,а) вибирається у кілька разів менше, ніж опір R1, тоді коефіцієнт передачі, що дорівнює одиниці на низьких частотах, знижується до значення R2/(R1 + R2) на високих. Фазовий зсув підвищенням частоти спочатку збільшується, потім зменшується і на досить високих частотах наближається до нуля. Аналогічні характеристики має й інше ланка (рис. 60,б), та її вхідний опір має ємнісний характері і зменшується на високих частотах.

Насамкінець подивимося, як вирішуються питання стабільності в операційних підсилювачах (ОУ), адже вони повинні допускати роботу зі 100 % ООС (β = 1), а їх власне посилення Ko досягає десятків і сотень тисяч. Як правило, всі каскади ОУ намагаються зробити дуже широкосмуговими, лише один каскад (зазвичай він дає і максимальне посилення) виконують з низькою частотою зрізу, іноді використовуючи навіть навісні конденсатори, що коригують (зверніть увагу на конденсатор С1 в схемі ОУ попередньої глави). У цьому випадку АЧХ підсилювача в широкому діапазоні частот має нахил 6 дБ на октаву (див. рис. 57), а фазовий зсув не перевищує 90°.

Ми розглянули тільки підсилювачі з безпосереднім зв'язком між каскадами, що посилюють сигнали скільки завгодно низьких частот, починаючи від постійного струму. У підсилювачах з роздільними конденсаторами, що мають ще й нижню частоту смуги пропускання, при введенні ОС можуть спостерігатися піки на АЧХ області нижніх частот. Самовзбудження в цьому випадку проявляється у вигляді "моторного шуму", "капання" і т. д. У цьому випадку необхідно розрахувати фазовий зсув, що вноситься RC-ланцюжками, що складаються з конденсаторів розділових і вхідних опорів наступних каскадів. У будь-якому випадку небажано, щоб усередині петлі ОС виявилося б більше одного такого ланцюжка.

Отже, сформулюємо головний висновок: підсилювачі з ООС повинні проектуватися так, щоб петльове посилення було менше одиниці на тих частотах, де фазовий зсув по петлі перевищує 90 і наближається до 180 °. Докладніше, і на значно вищому рівні обговорені питання розглянуті у статті С. АгєєваПитання проектування підсилювачів із загальною ООС"Радіо", 2003, № 4, с. 16-19. Там же наведені і посилання на першоджерела.

Автор: В.Поляков, м.Москва

Дивіться інші статті розділу Початківцю радіоаматору.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами 05.05.2024

Сучасний світ науки та технологій стрімко розвивається, і з кожним днем ​​з'являються нові методи та технології, які відкривають перед нами нові перспективи у різних галузях. Однією з таких інновацій є розробка німецькими вченими нового способу керування оптичними сигналами, що може призвести до значного прогресу фотоніки. Нещодавні дослідження дозволили німецьким ученим створити регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу із плавленого кремнезему. Цей метод, заснований на використанні рідкокристалічного шару, дозволяє ефективно змінювати поляризацію світла через хвилевід. Цей технологічний прорив відкриває нові перспективи розробки компактних і ефективних фотонних пристроїв, здатних обробляти великі обсяги даних. Електрооптичний контроль поляризації, що надається новим методом, може стати основою створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв. Це відкриває широкі можливості для застосування. ...>>

Приміальна клавіатура Seneca 05.05.2024

Клавіатури – невід'ємна частина нашої повсякденної роботи за комп'ютером. Однак однією з головних проблем, з якою стикаються користувачі, є шум, особливо у випадку преміальних моделей. Але з появою нової клавіатури Seneca від Norbauer & Co може змінитися. Seneca – це не просто клавіатура, це результат п'ятирічної роботи розробників над створенням ідеального пристрою. Кожен аспект цієї клавіатури, починаючи від акустичних властивостей до механічних характеристик, був ретельно продуманий і збалансований. Однією з ключових особливостей Seneca є безшумні стабілізатори, які вирішують проблему шуму, характерну для багатьох клавіатур. Крім того, клавіатура підтримує різні варіанти ширини клавіш, що робить її зручною для будь-якого користувача. І хоча Seneca поки не доступна для покупки, її реліз запланований на кінець літа. Seneca від Norbauer & Co є втіленням нових стандартів у клавіатурному дизайні. Її ...>>

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Випадкова новина з Архіву Поворотна розетка 12.04.2006 Великі габарити виделок сучасних електроприладів часто не дозволяють включити в подвійну розетку відразу два прилади - одна вилка заважає іншій. Тому США почали випускати поворотні розетки. Кожна з них може обертатися на 360 градусів, що забезпечується трьома мідними кільцями з струмознімачами (третє кільце – для обов'язкового в американських електромережах заземлення).

Інші цікаві новини:

▪ Нанопродукти можуть бути небезпечними

▪ Лазня у індіанців майя

▪ Чим дихають комп'ютери

▪ Розвиток високих технологій Китаю

▪ Передача даних USB 3.2 зі швидкістю до 20 Гбіт/с

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Антени. Добірка статей

▪ стаття Акустичні коливання, їх характеристика та вплив на організм. Основи безпечної життєдіяльності

▪ стаття Як Петро I боровся з жебрацтвом? Детальна відповідь

▪ стаття Начальник департаменту розвитку бізнесу. Посадова інструкція

▪ стаття Копіювальний папір. Прості рецепти та поради

▪ стаття Довідковий матеріал до глави 4.2 ПУЕ. Перелік посилальних нормативних документів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024