Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

       З  порівняння амплітудно-частотної  і фазо-частотної характеристик

видно, що фазові спотворення  свідчать про існування й частотних  спотворень. Всі вони зумовлені лінійними  елементами схеми, тому їх ще називають  лінійними спотвореннями.

Амплітудна характеристика. Динамічний діапазон. Нелінійні спотворення. Амплітудна характеристика—це залежність Uвих= f (Uвх) на деякій сталій частоті (рис.). В робочому діапазоні амплітуд вхідного сигналу Uвхmin — Uвхтах амплітудна характеристика прямолінійна (відрізок аб), а кут її нахилу задається коефіцієнтом підсилення на даній частоті.

Якщо вхідна напруга  не перевищує значення Uâõmin, то напруга на виході підсилювача Uвихmіn визначається напругою його власних шумів, які глушать корисний вхідний сигнал. Шуми підсилювача залежать, в основному, від шумів його активних та пасивних елементів. Їх причиною є пульсації напруги джерела живлення, теплові процеси, а також неоднорідність структури матеріалу елементів і нестабільність електричних процесів у часі.

При великих вхідних  напругах (Uвx>Uâõmax) пропорційність між Uвих га Uвх порушується, оскільки немає пропорційної залежності між вхідним та вихідним струмами активного елемента підсилювання — транзистора. Це ілюструє рис., на якому зображені вхідна характеристика транзистора за схемою вмикання ЗЕ та вхідна напруга синусоїдальної форми Uâx =UBm sinwt, що подана на базу транзистора (вхід підсилювача). З графіка видно, що вхідний (отже, i вихідний) струм відрізняється від синусоїди, оскільки нижня напівхвиля сплющена через нелінійність вхідної характеристики. Якщо на вхід подається сигнал складної форми, то також змінюється його спектральний склад. Отже, вихідний сигнал підсилювача містить гармонічні складові, які відсутні у вхідному сигналі. Інакше кажучи, в підсилювальний сигнал вносяться нелінійні спотворення. Таким чином, можливість підсилювати максимальну та мінімальну напруги за умови, що кожному миттєвому значенню вхідної напруги відповідає пропорційне значення вихідної напруги (відрізок аб на рис.), відображає один з найважливіших показників підсилювача, який називається динамічним діапазоном. Кількісно динамічний діапазон оцінюється як

                                                                                                   

 

де Uвх maх і Uвх min — вхідні напруги, при яких створення підсилюваного сигналу і його розрізнення на фоні шумів лежать в допустимих межах.

При наявності нелінійних спотворень підсилений сигнал несе струм (напругу) першої гермоніки і струми (напруги) вищих гармонік, починаючи з другої. Рівень нелінійних спотворень чисельно оцінюється коефіцієнтом гармонік К¢r, що пропорційний потужності, яка розвивається вищими гармоніками. Оскільки потужність, в свою чергу, пропорційна квадрату струму або напруги, то:

                              ,                

 

де P, Iі, Ui — потужність, струм та напруга першої гармоніки; п — номер гармоніки.

    Для підсилювача з т каскадів

 

                                           .                       

Коефіцієнт корисної дії, що є важливим показником для  підсилювачів середньої та особливо великої потужності, визначають із співвідношення

                                                                                                          

де Рвих — корисна вихідна потужність, яка віддається підсилювачем в навантаження: Рсп — патужність, яку споживає підсилювач від джерела живлення.

 

Режим роботи підсилювального каскаду

Характер роботи підсилювального  каскаду і його параметри залежать від режиму роботи активного елемента за постійним струмом. Розглянемо це на прикладі транзисторного підсилювального каскаду за схемою ЗЕ, який є основою більшості схем підсилювачів, включаючи й операційні підсилювачі.

Початковий режим транзистора (режим спокою) визначається положенням робочої точки р на динамічній характеристиці транзистора. Від положення робочої точки залежать значення постійних складових струмів вхідного та вихідного електродів транзистора (Іос, Іов) і напруг на цих електродах (Uoc, uob), тобто потужність, яку споживає підсилювач від джерела Ес. В свою чергу, вибір робочої точки в значній мірі регламентується амплітудою, формою і полярністю вхідного змінного сигналу. Розрізняють три основні режими роботи підсилюючого каскаду—А, В і С. Розглянемо особливості режимів роботи підсилюючого каскаду при дії на вході змінного сигналу синусоїдальної форми.

В режимі підсилення А початкове положення робочої точки вибирають приблизно посередині відрізка динамічної характеристики, де зміні базового (вхідного) струму відповідає пропорційна зміна колекторного (вихідного) струму, а її переміщення, пов'язане з дією подвійної амплітуди вхідного сигналу 2Uвт(2ІВт), обмежується цим відрізком. На рис. 1.19 цей відрізок відмічений лінією CD на вихідній динамічній характеристиці і C'D' — на вхідній. Слід зазначити, що, залежно від нахилу динамічної характеристики, переміщення робочої точки в режимі підсилення А може проходити навіть в межах відрізка BF динамічної характеристики, що показує на некритичність амплітуди підсилюваного сигналу в цьому режимі. Так чи інакше напруга зміщення в колі бази \Uов\ більша за \Uвт\ вхідного сигналу, а струм спокою в колекторному колі Iос перевищує амплітуду змінної складової колекторного струму Icт. Тому вихідний колекторний струм протікає за час всього періоду підсилюваного сигналу, що є характерною особливістю режиму підсилення А.

Оскільки робоча точка  не виходить за межі лінійного відрізка вхідної динамічної характеристики, то лінійні спотворення, які вносяться підсилювачем, невеликі і тим менші, чим менша амплітуда вхідного сигналу. Але при цьому низький ККД підсилювача, оскільки корисна потужність Рвих, яка віддається в навантаження, задається змінною складовою колекторного струму з амплітудою Іст . При цьому Іст менший за постійну складову струму Іос, яка обумовлює потужність Рсп, що споживається від джерела живлення. ККД підсилювачів в режимі А, які, як правило, використовуються як попередні підсилювачі або як малопотужні кінцеві каскади, не перевищує 20 %.

В режимі підсилення В початкове положення робочої точки на динамічній характеристиці вибирають при струмі колектора близькому до Ісо (рис. ). Тому при наявності змінного вхідного сигналу змінна складова колекторного струму з амплітудою 1с т протікає лише за половину періоду сигналу, а в другій половині періоду транзистор закритий, тобто працює з відсічкою струму. При цьому кут відсічки струму q приблизно дорівнює л/2 електричних градусів.

Важливою особливістю  режиму В є високий ККД підсилювача(60... 70 %), оскільки постійна складова колекторного струму від джерела живлення при відсутності підсилюваного сигналу приблизно дорівнює нулю. Тому такий режим найкраще використовувати в каскадах підсилення великої потужності, коли вони працюють при великих рівнях підсилюваних сигналів, незважаючи на високий рівень нелінійних спотворень у підсилювачі. Внаслідок високої економічності підсилювачі в режимі В застосовують в переносних пристроях навіть при вихідній потужності в сотні    міліват.

    У деяких  випадках використовують проміжний режим підсилення АВ, який характеризується кутом відсічки в 120... ІЗО ел. град., і меншими нелінійними спотвореннями, але виявляється економічнішим, ніж режим підсилення А.

Початкове зміщення і  положення робочої точки в транзисторі, що

працює в режимі підсилення С, відповідає режиму відсічки, а кут відсічки q< л/2. Цей режим найекономічніший (ККД 85 %), оскільки при відсутності підсилюваного сигналу транзистор практично не споживає енергії. Режим С використовують у підсилювачах-формувачах, які працюють при перевищенні вхідним сигналом деякого порогового значення, а також в автогенераторах.

 

 

 Зворотний зв'язок  у підсилювачах

Крім каналу прямого проходження сигналу (основне коло) підсилювальний каскад може мати кола, по яких частина енергії корисного сигналу передається з виходу каскаду на його вхід (рис.) або на вхід одного з попередніх каскадів у випадку багатокаскадного підсилювача (рис.)                                        і

При цьому в підсилювачі  діє зворотний зв'язок. Кола, по яких подається сигнал зворотного зв'язку, називають колами зворотного зв'язку. Замкнутий контур, утворений під'єднанням до підсилювача кола зворотного зв'язку, називають петлею зворотного зв'язку. Розрізняють однопетльові (рис.) та багатопетльові (рис.) зворотні зв'язки. В останній схемі можна виділити загальну петлю зворотного зв'язку °Кп, — b₁, яка включає в себе весь підсилювач з коефіцієнтом підсилення °Кп, і місцеву петлю зворотного зв'язку °Кп₂ — b₂, яка охоплює окремий підсилювальний каскад.

Якщо напруга зворотного зв'язку°Uзв пропорційна напрузі на споживачі підсилювача, то маємо зворотний зв'язок за напругою

(рис. ), а у випадку пропорційності °Uзв струму Івих—зворотний зв'язок за струмом (рис. ). Крім того, можливий змішаний зворотний зв'язок.

За способом передавання  енергії через коло зворотного зв'язку у вхідне коло підсилювача розрізняють послідовний зворотний зв'язок, коли напруга подається послідовно з напругою вхідного сигналу підсилювача (рис.), і паралельний (рис.).

Основним показником кола зворотного зв'язку за напругою є коефіцієнт передачі °b. Він показує, яка частина напруги з виходу підсилювача передається на його вхід:

                                                                                          

Дія зворотного зв'язку проявляється в зміні величини вхідного сигналу підсилювача

 

                                                  

    

 

 Якщо  -  коефіцієнт підсилення без зворотного зв'язку, а - коефіцієнт підсилення із зворотним зв'язком, то напруга

 

на виході схеми

                                             .                    

Поділивши обидві частини  рівняння на°Uвх, одержимо:

                                         

                                             .                          

або

                 

звідки

 

                                                                                                  

 

де °b°Кп—фактор зворотного зв'язку, який називається петльовим підсиленням і який задає характер зворотного зв'язку та значеннякоефіцієнта підсилення °Кзв; 1—°b°Кп—глибина зворотного зв'язку.

Оскільки в загальному випадку °Кп = Кпе^jjK і °b = bе^jjb , де j_K і j_b—кути фазових зсувів сигналу, які вносяться відповідно підсилювачем та колом зворотного зв'язку, то

 

                                       .                                 

 

 За умови j_k+j_b= p, °b°K=-bК,  тобто коефіцієнт  зворотного зв'язку—величина дійсна та від'ємна. В цьому випадку

                  

                                                  .                                    

Таким чином, якщо сигнал зворотного зв'язку надходить на вхід підсилювача в протифазі з вхідним сигналом, то коефіцієнт підсилення зменшується в (1 + bКп) раз. Такий зворотний зв'язок називають негативним зворотним зв'язком. Незважаючи на зменшення підсилення, негативний зворотний зв'язок широко використовують, оскільки з його введенням значно покращується ряд параметрів підсилювача. Так, зменшення коефіцієнта підсилення супроводжується збільшенням стабільності підсилювача, шо підвищує стійкість його роботи. Продифе-ренціювавши рівняння заКп, одержимо

 

                                                  .                                        

 

Перегрупувавши в рівнянні змінні і поділивши його на ,одержимо

 

                                                                                            

Відносна зміна коефіцієнта  підсилення підсилювача із зворотним зв'язком зменшується в (1 + bКп) раз.

При bКп>>1 (глибокий зворотний зв'язок рівність набуває

вигляду

                                                                                                        

Аналогічно можна показати, що при послідовному зворотному зв'язку за напругою в (1 + bКп) раз збільшується вхідний опір підсилювача і в стільки ж разів зменшується вихідний опір. При будь-якому виді негативного зворотного зв'язку в (1 + bКп) раз зменшуються частотні .фазові та нелінійні спотворення, а також напруги шумів.

Таким чином, вводячи  негативний зворотний зв'язок і змінюючи його параметри, можна змінювати  в потрібному напрямі вхідний  та вихідний опори підсилювача, його частотні та фазові характеристики, тобто поліпшувати параметри підсилювача.

  При j_К+ j_b= 2pп, де п = 0, 1,2, ..., коли збігаються фази напруг

°Uвх та °Uзв, °b°Kп=bKп . З рівняння одержуємо