книги / Электронные усилители

не превышает заданной величины, определяемой назначением уси­ лителя. Например, ухо слышит звуковые колебания с частотой от 20 до 20000 Гц. Однако усиливать эти колебания нет необходимос­ ти. Качество звучания музыки и речи получается достаточно хоро­

усиливаемых частот ведет к усложнению усилителей и повышению -стоимости аппаратуры.

Диапазон частот телевизионных усилителей составляет 50 Гц. 6 МГц.

В импульсных усилителях диапазон частот зависит от длитель­ ности усиливаемых импульсов.

Контрольные вопросы

1.Какое устройство называется усилительным?

2.Что называют электрическим сигналом?

3.Поясните принцип усиления электрических сигналов.

4.Назовите основные технические показатели электронных усилителей.

5.Перечислите виды нагрузки усилителей.

6.Дайте определение коэффициента усиления по напряжению, по току и по

мощности.

7.Назовите основные виды искажений в усилителях.

8.Назовите причины частотных искажений.

9.Как проявляются частотные искажения в различных видах усилителей?

10.Назовите примерную ширину полосы частот некоторых усилителей.

ГЛАВА 2

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

2.1.ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Предназначенный для усиления электрический сигнал подается на вход усилителя и, пройдя через усилитель, поступает на его

выход.

Прохождение сигнала через усилитель с его входа на выход называется прямым прохождением. Но очень часто для улучшения показателей качества усилителя в нем создают цепи для прохож­ дения части сигнала в обратном направлении, f. е. с выхода на

вход.

Передача энергии сигнала (напряжения или тока) с выхода усилителя на его вход называется обратным прохождением сигна­ ла или обратной связью.

В зависимости от причин возникновения обратной связи разли­ чают следующие виды ее: внешнюю, внутреннюю и паразитную.

Внешняя обратная связь в усилителях вводится специально для улучшения их технических показателей. При внешней обрат­ ной связи часть напряжения (или тока) с выходной цепи усилите­ ля передается во входную с помощью специально для этого создан­ ных электрических цепей, называемых цепями обратной связи.

На рис. 2.1 приведена структурная схема внешней обратной связи. Замкнутый контур, образуемый цепью обратной связи и усилителем, называют петлей обратной связи. Здесь р — коэффи­ циент передачи по напряжению. Произведение рК и называется

петлевым усилением.

В многокаскадном усилителе может быть несколько петель об­ ратной связи как независимых, так и связанных между собой. При этом связь, охватывающая один усилительный каскад, называется однопетлевой или местной, а связь, охватывающая весь усилитель,, называется общей. На рис. 2.2 приведена структурная схема мно­ гопетлевой обратной связи.

Рис. 2.1 Рис. 2.2

Внутренняя обратная связь в электронных усилителях возника­ ет самопроизвольно и является следствием особенностей конструк­ ции усилительных элементов (транзисторов, ламп) и происходя­ щих в них физических процессов.

Обратная связь, появляющаяся через паразитные емкости и ин­ дуктивности схемы, называется паразитной.

Внутренняя н паразитная обратные связи ухудшают свойства усилителя. Поэтому при проектировании и конструировании уси­ лителей принимают меры для ограничения этих связей.

2.2.ВИДЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Вусилительных устройствах используют самые различныевнешние обратные связи. Вид обратной связи можно определить по следующим основным признакам: способу снятия с выхода и подачи на вход усилителя энергии сигнала; знаку петлевого уси­

ления; зависимости от частоты сигнала.

По способу снятия энергии сигнала с выхода усилителя разли­ чают обратные связи: по напряжению, по току, смешанные (ком­ бинированные).

Для получения обратной связи по напряжению вход цепи об­ ратной связи (клеммы 4—4 на рис. 2.3, а) подключается парал-

лелыю выходу усилителя и нагрузке его (к клеммам 2—2 на рис. 2.3, а). На схеме, приведенной на рис. 2.3, а, все напряжение

Рис. 2.3

Обратная связь по току получается, когда вход цепи обратной связи, выход усилителя и нагрузка соединены между собой после­ довательно, как показано на рис. 2.3, в. В этом случае в выходную

тия энергии сигнала с выхода его, то такая обратная связь назы­

последовательно с нагрузкой. В результате напряжение на выходе цепи обратной связи оказывается пропорционально как выходно­ му напряжению, так и выходному току.

По способу подачи (или введения) энергии сигнала на вход усилителя различают последовательную, параллельную и комби­ нированную обратные связи.

В последовательной схеме обратной связи по входу напряжение обратной связи U0.c подключается на вход усилителя последова­

При параллельной схеме обратной связи по входу напряжение обратной связи U0.с подается параллельно ЭДС источника сигна­ ла, как показано на рис. 2.4, б.

В комбинированной схеме обратной связи по входу одна часть Напряжения обратной связи Uо.а подается на вход усилителя пос­ ледовательно с ЭДС источника сигнала Еист , а другая часть U 0.с2 — параллельно, как показано на рис. 2.4, в.

По знаку петлевого усиления различают два вида обратной связи — положительную и отрицательную.

При положительной обратной связи напряжение ее точно сов­ падает по фазе с ЭДС источника сигнала, в результате чего на­ пряжение сигнала на входе усилителя увеличивается. В усилите­ лях положительная обратная связь применяется очень редко.

Обратная связь, напряжение которой находится точно в про­ тивофазе с ЭДС источника сигнала, называется отрицательной. В усилительных устройствах используется в основном отрицательная обратная связь.

Обратная связь, при которой значение коэффициента передачи Р не изменяется с изменением частоты усиливаемого сигнала, на­ зывается частотно-независимой. Если Р зависит от частоты, то об­ ратная связь называется частотно-зависимой.

На практике вид обратной связи определяют следующим обра­ зом. Если при коротком замыкании нагрузки усилителя напряже­ ние обратной связи сохраняется, то получается обратная связь по

току. Если же при коротком замыкании нагрузки напряжение об­ ратной связи исчезает, то получается обратная связь по напря­

жению.

2.3.ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

УСИЛИТЕЛЯ

Как уже было сказано, в усилителях в основном используется отрицательная обратная связь. Применение ее позволяет улучшить показатели качества усилителя, в частности: повысить стабиль­ ность коэффициента усиления; уменьшить частотные, фазовые и переходные искажения; уменьшить нелинейные искажения; огра­ ничить влияние собственных шумов.

При этом различные виды отрицательной обратной связи влия­ ют на отдельные технические показатели усилителя по-разному.

Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент уси­ ления и его стабильность. В усилителе с обратной связью напря­ жение на входе изменяется в результате действия обратной связи,

K x-V n + V o .c,

где Uвх — напряжение на входе до введения обратной связи;

U вх— напряжение на входе при действии обратной связи; Uo c — напряжение обратной связи.

Определим коэффициент усиления в усилителе с последова­ тельной обратной связью по напряжению, схема которого приве­ дена на рис. 2.5:

Как видно на рис. 2.5, поступающее на вход усилителя напря­ жение обратной связи U0.с можно определить так:

где Р — коэффициент передачи или коэффициент обратной связи, показывающий, какую часть выходного напряжения составляет напряжение обратной связи.

^О.с ^вх+Р^вых

Разделив числитель и знаменатель на UBX, получим

и

И-Р*с

Из этого выражения становится ясно, что отрицательная об­ ратная связь уменьшает коэффициент усиления по напряжению в (l+p/Ct/) раз. Сумма 1+p/Ct/ называетея глубиной обратной связи. Она показывает, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления при введении обратной связи. Произведение §Ки назы­ вается коэффициентом петлевого усиления. Он равен отношению напряжения обратной связи к первоначальному напряжению:

U вых

Выражение для определения коэффициента усиления усилите­ ля, полученное для схемы с последовательной обратной связью по напряжению, справедливо для всех способов снятия напряжения обратной связи с выхода и подачи его во входную цепь усилителя.

каскада, охваченного обратной связью, уменьшается в (1+РКи ) раз. Следовательно, выходное напряжение усилителя также уменьшается. Поэтому для восстановления прежнего (до введе­ ния обратной связи) значения выходного напряжения надо увеличягь напряжение на входе усилителя в (1 + РКи ) раз.

Коэффициент усиления усилителя должен быть постоянным. Однако на показатели усилителя действует ряд дестабилизирую­ щих факторов: нестабильность источников питания, разброс пара­ метров элементов схемы и их старение, изменение температуры окружающей среды и т. д. Все это вызывает нестабильность пара­ метров, в том числе и коэффициента усиления.

При отрицательной обратной связи нестабильность коэффици­ ента усиления уменьшается пропорционально глубине обратной связи.

Физическая сущность стабилизации коэффициента усиления состоит в следующем. Если, например, по каким-либо причинам усиление увеличилось, то напряжение на выходе возрастает, вы­ зывая увеличение напряжения обратной связи, что ведет к умень­ шению напряжения на входе, а следовательно, и на выходе. В ре­ зультате напряжение на выходе изменится незначительно. При уменьшении усиления уменьшается выходное напряжение и, соот­ ветственно, уменьшится напряжение обратной связи, что приведет к возрастанию входного напряжения, а значит и выходного. Та­ ким образом, изменения коэффициента усиления будут умепьше-

ны. При глубокой отрицательной обратной связи нестабильность коэффициента усиления уменьшается значительно.

Влияние отрицательной обратной связи на частотную, фазовую и переходную характеристики. Частотно-независимая отрицатель­ ная обратная связь улучшает частотную, фазовую и переходную характеристики усилителя, расширяя полосу усиливаемых частот. Это происходит потому, что на крайних частотах диапазона, где усиление без обратной связи уменьшается, глубина обратной свя­ зи (1+р/С) также уменьшается. А так как напряжение обратной связи уменьшается, то суммарное напряжение на входе возраста­ ет и усиление увеличивается. В результате края частотной харак­ теристики поднимаются и полоса усиливаемых частот расширяет­ ся, как показано на рис. 2.6, на котором кривая I — частотная ха­ рактеристика усилителя без обратной связи, кривая 2 — частот­ ная характеристика усилителя с отрицательной обратной связью. Таким образом отрицательная обратная связь выравнивает час­ тотную характеристику.

Отрицательная обратная связь уменьшает фазовые сдвиги в Усилителе, и фазовая характеристика приближается к линейной. Фазовые искажения в усилителе под действием отрицательной об­ ратной связи уменьшаются.

Переходная характеристика в усилителях с отрицательной об­ ратной связью также улучшается, поскольку уменьшается время восстановления. Это происходит вследствие уменьшения входной ёмкости усилительных приборов под действием отрицательной об­ ратной связи. Спад вершины импульса уменьшается в результате Стабилизации коэффициента усиления усилителя, т. е. подъема час­ тотной характеристики.

В усилителях часто бывает необходимо скорректировать (ис­ править) определенный участок частотной характеристики. Для Зтого используется частотно-зависимая отрицательная обратная

связь, в цепи которой имеются частотно-зависимые элементы (ин­ дуктивности, емкости).

Принцип действия частотно-зависимой отрицательной обратной связи рассмотрим на примере цепи, состоящей из резистора R о.с

С повышением частоты шунтирующее действие емкости возрас­ тает и напряжение на выходе цепи обратной связи уменьшается. Частотная характеристика коэффициента передачи напряжения цепи обратной связи (3 снижается (участок БВ на рис. 2.7, б), т. е. действие обратной связи уменьшается и коэффициент усиления каскада увеличивается. Частотная характеристика в корректируе­ мой области частот поднимается (участок БВ на рис. 2.7, в). На рис. 2.7, в кривая 1 изображает частотную характеристику усили­ теля без обратной связи, кривая 2 — частотную характеристику усилителя с цепью обратной связи, содержащей Ro.z и Со.с

В усилительных устройствах применяют самые различные схе­ мы частотно-зависимых цепей обратной связи, которые обеспечи­ вают корректировку заданного участка частотной и фазовой ха­ рактеристик.

Напомним, что отрицательная обратная связь изменяет коэф­ фициент усиления, а также частотную и фазовую характеристики только той части устройства, которая охвачена петлей обратной связи.

Влияние отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивления. Различные виды отрицательной обратной связи влияют на входное и выходное сопротивления усилителя по-раз­ ному.

Характер изменения входного сопротивления усилителя, охва­ ченного отрицательной обратной связью, определяется способом введения сигнала во входную цепь и не зависит от способа снятия его с выходной цепи.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряже­ нию увеличивает входное сопротивление усилителя. Это можно объяснить так. Поскольку напряжение отрицательной обратной связи противоположно по фазе напряжению источника входного сигнала, напряжение на входе усилителя и входной ток уменьша­ ются, что эквивалентно увеличению входного сопротивления.

Входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, можно определить по формуле

# в х . о . с = # в х ( 1 + Р К) -

Увеличение емкостной составляющей входного сопротивления эквивалентно уменьшению входной емкости в (1+ р/С) раз:

г> ^вх

Овх.о.с— 1 + р / с

Параллельная обратная связь по напряжению уменьшает вход­ ное сопротивление усилителя. Это происходит потому, что сопро­ тивление обратной связи шунтирует входное сопротивление уси­

лителя.

Изменение входной емкости при параллельной отрицательной обратной связи зависит от характера цепи обратной связи. Если обратная связь осуществляется через конденсатор, то она увеличи­ вает входную емкость, а если через резистор, — то не изменяет входную емкость.

Аналогично этому последовательная отрицательная обратная связь по току увеличивает входное сопротивление усилителя, охва­ ченного обратной связью, а параллельная — уменьшает его.

При всех видах отрицательной обратной связи входное сопро­ тивление усилителя зависит от коэффициента усиления Ки , а следовательно, и от сопротивления нагрузки /?„ и остается неста­ бильным. Это видно из формул для Z вх.о.с И R вх.о.с

Во многих усилительных устройствах требуется обеспечить ста­

последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, определяется способом снятия сигнала с выхода усилителя и не зависит от способа введения ее во входную цепь усилителя.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряже­ нию уменьшает выходное сопротивление усилителя и увеличивает выходную емкость: R П Ы Х .О.С -- Лвчх/(1+Р/С); Свых.о.с = Св,1Х(1+р/().

Уменьшение выходного сопротивления усилителя при отрица­ тельной обратной связи по напряжению объясняется тем, что при' возрастании выходного напряжения усилителя увеличивается на­ пряжение обратной связи. В результате этого напряжение на вхо­ де усилителя, равное разности U—f/0.c, уменьшается, вызывая

Последовательная отрицательная обратная связь по току уве­ личивает выходное сопротивление усилителя и уменьшает выход­ ную емкость. Такие же изменения вносит и параллельная отрица­ тельная обратная связь по току.

Поэтому с целью уменьшить зависимость выходного сопротив­ ления от нестабильности параметров усилителя применяют сме­ шанную отрицательную обратную связь—по току и по напряжению.

Влияние отрицательной обратной связи на нелинейные искаже­ ния и динамический диапазон усилителя. В процессе работы уси­ лителя из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усили­ тельных приборов (транзисторов, ламп) возникают нелинейные искажения, т. е. появляются новые гармоники, которых не было на входе усилителя. По цепи обратной связи они поступают на вход усилителя и, пройдя через усилитель, оказываются на выходе, но уже в противофазе с первоначально возникающими гармониками. Поэтому амплитуды паразитных гармоник на выходе усилителя оказываются ослабленными. А значение напряжения полезного сигнала доводится до прежнего увеличением входного напряжения в (1+ р/С) раз. Следовательно, введение отрицательной обратной связи увеличивает соотношение между полезным сигналом и пара­ зитными гармониками, возникающими в усилителе.