Структурная схема усилителя с обратной связью

Под обратной связью понимают передачу части выходного сигнала на вход усилителя. В усилителях возникают три вида обратной связи: внутренняя, паразитная, внешняя.

Внутренняя - имеет место во всех активных элементах и определяется их конструкцией и физическими процессами в них происходящими. Например, параметр h₁₂ в биполярном транзисторе характеризует обратную связь, которая возникает за счет модуляции ширины базы.

Паразитная – обусловлена наличием паразитных индуктивно-емкостных (L, С) связей путей, которые создают пути для передачи части выходного сигнала на вход.

Внешняя обратная связь – создается введением в схему специальных элементов.

Все виды обратной связи существенно влияют на параметры и характеристики усилителя. При этом от внутренней и паразитной стараются избавится за счет рационального выбора элементов и конструкции усилителя, а внешнюю вводят специально. Она позволяет:

1. Увеличить стабильность коэффициента усиления;

3. Уменьшить искажение, создаваемое усилителем;

4. Управлять входным и выходным сопротивлением в нужном направлении.

Структурная схема усилителя с обратной связью

сигнал на входе усилителя с обратной;

сигнал на выходе усилителя;

сигнал на выходе цепи обратной связи.

комплексная амплитуда сигнала на входе усилителя без обратной связи.

K_(jw) =

- комплексная функция коэффициента передачи усилителя без обратной связи.

β_(jω) – комплексная функция коэффициента передачи цепи обратной связи.

- комплексная функция коэффициента передачи усилителя с обратной связью. Найдем его выражение:

Произведение Н(jω) = b_(jω)K_(jω) – называют - петлевое усиление.

В рабочем диапазоне частот K и b - действительные числа. Обычно величина b>0, а K> <0.

В зависимости от знака K различают следующие виды обратной связи:

1) Если K>0 – то возникает положительная обратная связь (ПОС).

При положительной обратной связи входной сигнал совпадает по фазе с сигналом на выходе обратной связи.

>К; 0<bK<1,т.е. положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. При bK=1, K⁺_ос=∞, в этом случае усилитель превращается в генератор.

2) Если K<0 - в усилителе возникает отрицательная обратная связь. При этом входной сигнал находится в противофазе с сигналом на выходе обратной связи.

<К - отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя с обратной связью.

Влияние отрицательной обратной связи на параметры

1. Влияние на стабильность коэффициента усиления.

Идеальный усилитель должен иметь коэффициент, который бы не зависел от дестабилизирующих факторов. В реальных усилителях он не остается постоянным, вследствие зависимости параметров активных элементов от температуры и величины питающих напряжений. Покажем, что отрицательная обратная связь улучшает стабильность коэффициента К:

Обычно bК>>1, b- коэффициент передачи цепи обратной связи, состоящей из пассивных элементов, которые практически не зависят от дестабилизирующих факторов, следовательно К_ос выше К.

2. Влияние отрицательной обратной связи на полосу пропускания усилителя с обратной связью. Известно, что KDf=Q – добротность (Df диапозон рабочих частот)

При введении отрицательной обратной связи коэффициент усиления Кос=К/(1+bK) уменьшаеться в (1+bK) раз, а следовательно диапазон рабочих частот увеличивается в (1+bK) раз, т.е.→ Df_ос=(1+bK)Df

3. Влияние на искажения, создаваемые усилителем.

Считаем что усилитель идеальный, искажения не создает, а все они создаются отдельным источником напряжения – Uиск.

1) Если b=0, цепь обратной связи отсутствует, а U_вх=0, то выходной сигнал I_вых=Е_П

2) При отрицательной обратной связи 1>b>0; U_вых.ос=Е_П-bKU_вых.ос

При отрицательной обратной связи искажения, создаваемые усилителем уменьшаются в (1+bK°) раз.

В зависимости от способа снятия сигнала обратной связи с выхода и подачи на вход различают четыре типа обратной связи. Их название состоит из двух слов. Первое говорит как сигнал подается на вход, второе – как снимается с выхода:

Последовательно – параллельная обратная связь.

2) Параллельно – параллельная обратная связь:

3) Последовательно – последовательная обратная связь.

4) Параллельно – последовательная обратная связь.

Всякая последовательная обратная связь (по входу или по выходу) увеличивает соответствующее сопротивление в (1+bK°) раз. Всякая параллельная обратная связь уменьшает соответствующее сопротивление в (1+bK°) раз.

Принципиальная схема усилителя с RC связью имеет вид:

R₁,R₂ – резистивный делитель цепи Б, задает РТ. R_Э – эмиттерное сопротивление, служит для температурной стабилизации РТ. R_k – сопротивление коллекторной цепи, на нем выдается усиленный переменный сигнал. R_н – сопротивление нагрузки C_p – разделительная ёмкость, C_Э – конденсатор эмиттерной цепи, устраняет отрицательную обратную связь, создаваемую R_э,в рабочем диапазоне частот С_ф – конденсатор фильтра ЧП,

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов спектры которых находится в относительно узком диапазоне частот.

Основной характеристикой усилителя является зависимость коэффициента усиления от частоты. По ней определяются основные параметры.

- коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот.

- средняя частота рабочего диапазона частот.

, где ω_в, ω_н – верхняя и нижняя граничные частоты.

4) Избирательность - характеризуется крутизной спадов АЧХ. Количественно избирательность оценивают коэффициентом прямоугольности, который рассчитывают так

Идеальный избирательный усилитель имеет

, а его характеристика имеет прямоугольный вид.

По принципу действия избирательные усилители бывают двух типов:

Избирательные усилители с частотно-зависимой нагрузкой

В таких усилителях в качестве нагрузки обычно применяют параллельный колебательный контур. Благодаря его резонансным свойствам, характеристика усилителя приобретает избирательный характер, а поэтому такие усилители иногда называют резонансными.

Частотная характеристика избирательного усилителя определяется выражением

- сопротивление параллельного колебательного контура.

Эквивалентная схема параллельного колебательного контура имеет вид:

В нее введен резистор с сопротивлением

, он учитывает резистивные потери реактивных элементов колебательного контура.

Частотная характеристика сопротивления параллельного контура имеет вид

Частота, на которой сопротивление контура становится резистивным называется резонансной. Она определяется так:

- характеристическое сопротивление контура.

Она обращается в нуль, когда частота воздействующего сигнала на контур равна

;

- полоса пропускания колебательного контура.

Поскольку ЧХ усилителя определяется ЧХ колебательного контура, то она имеет аналогичный вид, а следовательно усилитель обладает избирательными свойствами. Подключение нагрузки к выходу усилителя ухудшает избирательные свойства, уменьшая добротность контура, для исключения этого явления в резонансных усилителях обычно применяют частичное включение колебательного контура.

Обычно это выходные каскады многокаскадных усилителей. Они служат для повышения нагрузочной способности и создают на нагрузке сигнал заданной мощности. Такие усилители работают в режиме большого сигнала, а потому их основными параметрами являются следующие:

- мощность потребляемая источником питания.

, где

- мощность выдаваемая на коллекторных переходах транзистора усилителя мощности.

3) КНИ – коэффициент нелинейного искажения. Под искажениями понимают – отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе.

1) В зависимости от рабочей точки активных элементов, это усилители класса А, АВ, В, С, Д.

2) По связи с нагрузкой, это: усилители с трансформаторной связью; без трансформаторной усилителя мощности.

3) По схемотехническому решению: однотактные усилители; двухтактные усилители.

4) По виду усиливаемого сигнала: апериодические усилители – они предназначены для усиления широкополосных непрерывных сигналов; резонансные усилители мощности – они предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот.

Основным недостатком режима класса А является малое значение КПД<25%. Их преимущество является малые нелинейные искажения, поскольку рабочая точка выбрана на середине нелинейного участка.

Оценим его КПД и нелинейные искажения. В режиме класса В, рабочая точка выбирается при напряжении отсечки. В этом случае U_ВЫХ создает в цепи базы тока полуволну тока. Для режима класса В КПД рассчитывают для одного полу периода.

Достоинством режима класса В является высокое КПД, а недостатком существенное нелинейное искажение, отрицательная полуволна входного сигнала отсутствует. Поэтому режим класса В в однотактных усилителях не применяются, он применяется лишь в двухтактных схемах усилителя.