книги / Электронные усилители

Для расширения полосы пропускания многокаскадного усили­ теля с одноконтурными каскадами без увеличения d 3KB контуров применяют их взаимную расстройку. Если в усилителе из двух каскадов контур одного каскада с коэффициентом усиления Ai рас­ страивается относительно средней частоты fo полосы пропускания усилителя в одну сторону, а контур другого с коэффициентом уси­

связи — величина вещественная и положительная. В этом случае коэффициент усиления усилителя с обратной связью

Таким образом, при положительной обратной связи коэффици­ ент усиления усилителя увеличивается. Произведение рК у изме­

няется от 0 до 1, поэтому Ку.о.с>Ку, но имеет конечное значение. При значениях pfty близких к единице, коэффициент усиления Куо с Ж у стремится к бесконечности и на выходе усилителя бу-

дуг существовать колебания даже при отсутствии полезного вход­ ного сигнала.

Источником выходного напряжения усилителя в этом случае будет напряжение тепловых шумов с непрерывным частотным спек­ тром, которое всегда имеется на входе усилителя. Усилитель самовозбуждается, превращаясь в генератор. Для усилителя такой ре­ жим недопустим.

В многокаскадных усилителях через общие цепи питания, ем­ кости монтажа, паразитные индуктивности могут возникать внут­ ренние обратные связи, для которых на какой-нибудь частоте вы­ полняется соотношение (10.4). Это приводит к ухудшению харак­ теристик усилителя и в некоторых случаях — к его самовозбуж­ дению. Подобные обратные связи называют паразитными. Тща­ тельный монтаж, использование корректирующих цепочек, развя­ зывающих фильтров и другие меры позволяют свести паразитные обратные связи к минимуму.

Для теоретической и экспериментальной оценки устойчивости усилителя с обратной связью удобно пользоваться критерием ус­ тойчивости Найквиста, суть которого сводится к следующему. Ес­

ли точка с координатами (1,0) лежит вне годографа вектора рКу для частот от 0 до оо, то усилитель устойчив (рис. 10.3,а); если же точка (1,0) лежит внутри указанного годографа, усилитель неус­ тойчив, т. е. склонен к самовозбуждению (рис. 10.3, б).

При мостроении годографа вектора (5/Су вычисляют модуль и

каскада и выходным сопротивлением нагрузки предыдущего кас­ када. Следовательно, суммарный сдвиг фазы в однокаскадном уси­ лителе не превышает 270° Поэтому однокаскадный резисторный усилитель работает стабильно и практически не возбуждается при

любой глубине ОС.

Двухкаскадные резисторные усилители содержат, но крайней мере, две разделительные цепи межкаскадной связи, которые соз­ дают на низких частотах предельный сдвиг фаз 180°, а также две цепи, действующие подобным образом и на высоких частотах. Это (с учетом сдвига фаз, который может внести типовая схема вклю­ чения усилительного элемента) может привести к лреобразова!Чкю в некоторой области как низких, так и высоких частот отрицатель­ ной обратной связи в положительную.

Если усилитель состоит из нескольких (двух и более) каска­ дов, то обычно стремятся охватить ОС весь усилитель. При этом усложняется выполнение условий устойчивости усилителя из-за возрастания суммарного фазового сдвига в петле ОС, особенно при использовании трансформаторов, обладающих индуктивностью

рассеяния.

Известно, что .трансформатор в зависимости от согласованного или встречного включения его обмоток может внести сдвиг фаз, со­ ответственно равный 0° или 180° Индуктивность рассеяния тран­ сформатора, особенно при емкостной нагрузке на его выходе, при­ водит к такому дополнительному сдвигу фаз в области высоких частот, что при введении ОС на этих частотах могут создаться ус­ ловия самовозбуждения.

Таким образом, чем большее число каскадов охватывается ООС, тем больше вероятность получения дополнительного фазового сдвига 180° на частотах, близких к границам полосы пропускания, и, следовательно, больше опасность самовозбуждения.

Это ограничивает эффективность применения общей ООС в многокаскадном усилителе и тесно связано с, проблемой обеспе­ чения устойчивости его работы. Практически установлено, что двух­ каскадный резисторный усилитель работает устойчиво при глубине ООС не более 5... 6, трехкаскадный — не более 4... 5.

В сложных многокаскадных усилителях, особенно собранных

трудной задачей. Ее решение требует применения различных спе­ циальных цепей из резисторов и конденсаторов, вносящих необхо­ димое затухание и сдвиг фазы на частоте возникновения генера­ ции. Они, в общем случае, могут и не входить в состав цепи ОС, охватывающей весь усилитель, а быть частью цепи местной ОС в отдельных его каскадах. Аналогичную функцию выполняют и корректирующие резисторно-емкостные цепи, применяемые в уси­ лителях на интегральных микросхемах. Типовые схемы подключе­ ния внешних корректирующих цепей приводятся в справочниках по интегральным микросхемам. Действие их в простейшем случае сводится к ограничению (уменьшению) полосы пропускания и

уменьшению фазового сдвига со стороны высоких частот — АЧХ в отдельных каскадах усилителя.

Рассмотрим устойчивость избирательных усилителей. В высоко­ частотных избирательных усилителях фазовый сдвиг в петле ОС изменяется при изменении частоты в широких пределах, что на некоторых частотах может привести к балансу фаз и возникнове­ нию положительной ОС. При самовозбуждении на частотах поло­ сы пропускания усилитель превращается в автогенератор и пере­ стает усиливать полезный сигнал. Если же самовозбуждение воз­ никает на частотах, лежащих за пределами полосы пропускания, то нормальная работа усилителя также резко ухудшается из-за появления нелинейных эффектов, повышения уровня шумов и уменьшения стабильности усиления в полосе частот полезного сигнала; кроме" того, увеличиваются искажения частотной харак­ теристики. Основными причинами неустойчивой работы каскадов усиления являются положительная ОС через общие элементы це­ пей питания отдельных каскадов и положительная внутренняя обратная связь через межэлектродные проводимости усилительных элементов. Обратная связь через цепи питания сравнительно легко

нансного усилителя необходимо, чтобы он не только не возбуждал­ ся, но и был далек от самовозбуждения. Степень близости усили­

щественно, так как соответствует положительной ОС, возникающей в усилителе. Отсюда следует, что усилитель максимально устойчив, когда р/Су =0; /еу = 1, и неустойчив, когда р/Су =1 и ky =0.

Для максимальной устойчивости нужно иметь р/Су=0, что

практически невозможно осуществить, так как всегда имеется об­ ратная связь через проходную емкость С 11р.

Для биполярного транзистора при включении с ОС эта ем­ кость состоит из емкости между внешними выводами коллектора и базы и емкости коллекторного перехода Ск. Значение проходной емкости для полевых транзисторов совпадает с емкостью затвор —1 сток, а для электронных ламп — с емкостью управляющая сет­ ка — анод.

Итак, р не равняется нулю, и получить произведение р/Су=0 можно, лишь сделав К у= 0, что не имеет смысла. При проектиро­ вании усилителей выбирают ky от 0,8 до 0,9. При коэффициенте устойчивости /еу=0,9 коэффициент усиления возрастает из-за поло­

жительной обратной связи только на 10 %, что считается допус­ тимым. Можно показать, что полоса пропускания сужается из-за положительной обратной связи примерно на 10 %, если &у=0,9.

Изменение коэффициента усиления из-за крутизны, например на

изменение усиления и полосы пропускания, что, конечно, недопус­ тимо.

Для многокаскадного усилителя с одиночными контурами, настроенными на одну и ту же частоту, для обеспечения заданной устойчивости необходимо выполнить условие устойчивости:

Установка и изменение уровня усиливаемых сигналов практи­ чески всегда необходимы при работе с усилительными устройства­ ми, которые используются самостоятельно или в составе различ­ ных радиоустройств. Регулировка усиления производится в радиоизмерительных устройствах для выбора пределов измерений, при установке удобного размера изображения на экране осциллографа и т. п. Она применяется также при установлении необходимого уровня громкости радио- и телевизионных приемников, для вырав­ нивания уровней в радиовещательном тракте и т. д.

На практике осуществляется как ручная, так и автоматическая

щением органа управления (обычно движка переменного резисто­ ра) непрерывно изменяют уровень сигналов в необходимых преде­ лах.

Самое широкое применение в бытовой и другой аппаратуре нашли регулировочные поворотные резисторы типов СПЗ-4, СПЗ-ЗО, СПЗ-ЗЗ. Наиболее перспективны резисторы типа C3-93, имеющие высокие технические характеристики и большое разнооб­ разие типоконструкций.

Одним из существенных недостатков регулировочных резисто­ ров является высокий уровень шумов перемещения, что приводит

регулировки, работающие по принципу переключателя. В качестве примера можно привести регулятор типа РП1-57 на 31 положение переключателя.

Такие резисторы дискретной регулировки используются в вы­ сококачественной аппаратуре.

При ступенчатой регулировке уровень сигнала изменяется скачкообразно в заданное число раз путем переключения с помо­ щью переключателя делителя, составленного из постоянных резис­ торов. Регулировка усиления характеризуется глубиной регули­ ровки усиления, под которой понимают отношение коэффициентов усиления напряжения при крайних положениях регулятора, выра­ женное в децибелах:

Для предотвращения перегрузки отдельных каскадов усилите­

там переменного резистора /?, а снимается на входе усилительного элемента с подвижного контакта. При верхнем положении движка

статок — конструктивная сложность и частотная зависимость коэффициента регулировки. Расчет составляющих делитель резис­ торов может быть выполнен на основании соотношения (10.9).

Для устранения частотной зависимости коэффициента регули­ ровки, что особенно важно в широкополосных усилителях и уси­ лителях измерительных приборов (осциллографов, электронных милливольтметров), применяют компенсированные частотно-неза­ висимые регуляторы, схема одного из вариантов которых показана на рис. 10.6. В этом регуляторе параллельно отдельным секциям делителя подключают специально подбираемые компенсирующие конденсаторы Cl. .СЗ, которые увеличивают передачу напряже­ ния на высоких частотах, компенсируя тем самым шунтирующее действие входной емкости усилителя С вх.

Иногда при построении ступенчатого регулятора усиления бы­ вает важно обеспечить и постоянство его входного или выходного

тоянным выходным сопротивлением. Резисторы лестничной схемы потенциометрического делителя RJ. .R7 можно подобрать таким образом, что при любом положении переключателя SB полное сопротивление между выходными зажимами регулятора будет по­ лучаться одним и тем же. Кроме того, при переходе от одной сту­ пени к другой можно также обеспечить заданное изменение коэф­ фициента регулировки /Сper Такие регуляторы широко применяют­

ся в выходных аттенюаторах высокочастотных измерительных ге­ нераторов.

Режимная регулировка усиления. Регулировку усиления усили­ теля можно осуществлять путем изменения режима работы отдель­ ных его каскадов. На рис. 10.8 показана схема ручной регулиров­ ки усиления путем изменения постоянного тока эмиттера. Здесь последовательно с резистором эмиттерной стабилизации R3 вклю­ чен переменный регулирующий резистор R4. Так как напряжение на базе Ш задается делителем Rl, R2 и в процессе регулировки остается неизменным, напряжение на эмиттерных резисторах

может изменяться только в небольших пределах, соответствующих происходящим изменениям смещения U6o При этом рабочий ток эмиттера

будет обратно пропорциональным полному сопротивлению постоян­ ному току в цепи эмиттера /?3 + 7?4. Меняя значение переменного сопротивления R*, можно менять и рабочий ток транзистора в нужных пределах. Изменение же тока влечет за собой изменение значений основных усилительных параметров транзистора, в ре­ зультате чего меняется и коэффициент усилений регулируемого каскада. Резистор R3 необходим в схеме для ограничения макси-

—I—

мального рабочего тока эмиттера в положении движка, когда пере­ менное сопротивление /?4 оказывается закороченным.

связи по постоянному току и, следовательно, одинаковую степень стабилизации режима независимо от положения движка R4.

Режимная регулировка усиления путем изменения постоянного напряжения иа базе U\ при неизменном сопротивлении постоян­ ному току в цепи эмиттера нецелесообразна, так как в последнем случае глубина отрицательной обратной связи по мере уменьшения тока будет падать и стабильность режима ухудшится.