Учебное пособие 800596
.pdf
|
U 2 |
|
U 2 ... |
U 2 |
|
|
||||
Kr |
|
2m |
|
3m |
|
nm |
100% или |
|||
|
|
|
|
U1m |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
I 2 |
I |
2 |
... I 2 |
|
|
||
Kr |
|
|
2m |
|
3m |
nm |
|
100% , |
||
|
|
|
|
I1m |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где I1m, I2m,... и U1m, U2m,... - амплитуды гармоник токов и напряжений выходного сигнала.
Рис. 2.23
Предполагается, что входной синусоидальный сигнал содержит единственную гармонику - первую.
Основной задачей при построении и регулировании усилителей является уменьшение нелинейных искажение.
д) Амплитудная характеристика, динамический диапазон, КПД усилителя.
Амплитудная характеристика (АХ) - зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного Um вых=f (Umвх) (рис. 2.23) - позволяет оценивать линейность усилителя.
АХ снимается при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала частотой ω, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейны, что проявляется при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах вход-
133
ного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов, из - за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.
В усилителях мощности под АХ понимается зависимость выходной мощности от входной Рвых=f(Рвх) (рис. 2.24)
Рис. 2.24
или зависимость коэффициента передачи Кр (в децибелах) от входной мощности Рвх (рис. 2.25)
Рис. 2.25
Причем, количественно мера нелинейности оценивается как относительное отклонение АХ от линейной характеристики:
P |
K p |
|
|
вых |
100% или |
|
100% |
|
|
||
Pвх.max |
Pвх. max |
|
В случае линейной АХ коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала и может быть определен как тангенс угла наклона АХ к оси абсцисс (см.рис. 2.23).
Динамический диапазон усилителя оценивается по Umвх max и
Umвх. min (см.рис. 2.23).
134
ДU m.вx.max
уU m.вx.min
Впределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство. В усилителях мощности динами-
ческий диапазон определяется с помощью характеристики Кр=f(Pвх)
(рис. 2.25).
Выходная мощность Рвых.max, соответствующая уменьшению усиления на 1дБ, называется верхней границей линейности АХ.
Отношение мощности Рвых.max к выходной мощности собственных шумов Рвых на выходе усилителя мощности принимается за динамический диапазон, который в дБ находится по формуле:
Д |
|
10 lg |
Pвых.max |
(дБ) |
|
у |
Pвых.шумов |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
Коэффициент полезного действия мощных выходных усилителей определяется как отношение мощности Рвых - полезного сигнала на выходной нагрузке усилителя Rн к мощности Ро, потребляемая от источника питания:
Pвых
P0
е) Входное и выходное сопротивление.
Знание входных и выходных сопротивлений (проводимостей) Rвх и Rвых, Yвх и Yвых позволяет правильно согласовывать усилитель с источником сигнала и последующим каскадом.
Входное сопротивление Rвх усилителя является нагрузкой для источника сигнала, поэтому от его величины зависит мощность, потребляемая усилителем от источника сигнала. Под Rвх понимается сопротивление между входными клеммами при подключенной нагрузке на выходе усилителя:
Rвх |
Um.вx |
|
Im.вх |
||
|
135
Выходным сопротивлением усилителя Rвых называют сопротивление между выходными клеммами при подключенном источнике сигнала на входе усилителя:
Rвых |
Um.вых |
|
Im.вых |
||
|
Проводимости и сопротивления связаны соотношениями
Yвх |
1 |
и Yвых |
1 |
|
|
|
|||
Rвх |
Rвых |
|||
|
|
Помимо названных параметров и характеристик, существует и ряд других: устойчивость, стабильность, коэффициент шума, шумовая температура, конструктивные и эксплуатационные характеристики усилительных устройств.
2.2.2. Обратная связь и ее влияние на характеристики усилителей
Обратная связь является одним из фундаментальных понятий в жизни. Чтобы точно выполнить то или иное действие, мы должны иметь возможность видеть что делается и постоянно вносить небольшие поправки по мере того, как это оказывается необходимым. В действительности, берется результат действия (с выхода) и возвращается обратно (на вход) к мысленному намерению так, чтобы результат действия точно соответствовал намерению.
Обратной связью (ОС) в усилителях называется подача части мощности сигнала с выхода усилительного устройства на его вход для изменения основных показателей усилителя.
Эта подача осуществляется через цепь обратной связи (ЦОС или β-цепь) (рис. 2.26)
Различают три возможных случая появления обратной связи в усилительных устройствах:
-внешняя ОС – специально введенная;
-внутренняя ОС – вызванная влиянием выходных величин на входные;
136
- паразитная ОС – вызвана влиянием проводов и элементов схемы.
Внутренние и паразитные обратные связи стремятся свести к минимуму.
Часть усилителя, охваченная ОС, вместе с ЦОС называется петлей обратной связи (рис. 2.26)
Рис. 2.26
Результирующий сигнал на входе получается сложением сигналов от источника (ИС) и от ЦОС, причем связь называется положительной, если фазы этих сигналов совпадают и, например, входное напряжение Uвх увеличивается, и отрицательной – если их фазы противоположны и Uвх уменьшается.
В зависимости от частотных свойств цепи обратной связи различают:
-связь по переменному току (сигналу), которая может быть час- тотно-независимой и частотно-зависимой (т.е. с реактивным сопротивлением в ЦОС);
-связь по постоянному току, которая стабилизирует исходный режим транзисторов;
-связь по постоянному и переменному току одновременно.
По способу снятия сигнала с выхода (иначе, по способу подключения ЦОС к выходу усилителя) различают три вида схем:
-обратная связь по напряжению, при которой напряжение ОС Uос пропорционально выходному напряжению Uвых (рис. 2.27). Обычно ЦОС выполняется в виде делителя напряжения R1 – R2, подключенного параллельно нагрузке.
137
Рис. 2.27
-обратная связь по току, при которой Uос пропорционально выходному току Iвх (рис. 2.28). В этом случае в выходную цепь последовательно с нагрузкой включается резистор ОС Rос, с которого снимается напряжение Uос=Iвых∙Rос
Рис. 2.28
-смешанная по выводу обратная связь, при которой Uос зависит как от выходного напряжения, так и от выходного тока (рис.
2.29)
Рис. 2.29
138
По способу подачи сигнала из ЦОС на вход (подключение выхода ЦОС к входу усилителя) различают три схемы:
-обратная связь с параллельной подачей на вход, при которой выход ЦОС, источник сигнала и вход усилителя соединены параллельно. (рис. 2.30; а – ОС по напряжению, б – ОС по току)
(а)
(б) Рис. 2.30
-Обратная связь с последовательной подачей на вход, при которой выход ЦОС, источник сигнала и вход усилителя соединены последовательно (рис. 2.31а – ОС по напряжению, б – ОС по току)
(а)
139
(б)
Рис. 2.31
-обратная связь со смешанной подачей на вход (рис. 2.32; а – ОС по напряжению, б – по току)
(а)
(б) Рис. 2.32
Коэффициент усиления каскада без обратной связи К равен отношению выходного напряжения к входному (рис. 2.33):
КUвых . Uвх
140
Рис. 2.33
Напряжение на выходе усилительного каскада равно Uвх=Uис–Uос при отрицательной обратной связи (ООС) и для положительной обратной связи (ПОС) равно Uвх=Uис+Uос.
Напряжение ОС является частью выходного напряжения Uос=β∙Uвых, где β – коэффициент передачи цепи ОС (коэффициент обратной связи), показывающий какую долю Uвых составляет Uос:
Uос
Uвых
Коэффициент передачи β обычно меньше 1. Коэффициент усиления каскада Кос при введении ОС равен:
Kос |
Uвых |
|
Uис |
||
|
Получается, что напряжение источника сигнала при отрицательной обратной связи равно: Uис=Uвх+Uос.
Коэффициент усиления при ООС находим по формуле:
Kooc |
Uвых |
Uвых |
|
Uвых |
|
Uвых |
|
Uвых |
|
Uис |
Uвх Uoc |
Uвх Uвых |
Uвх KUвх |
Uвх (1 K) |
|||||
|
K
1K
Знаменатель этого выражения А=1+βК показывает, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления каскада без ОС
141
при введении отрицательной ОС, то есть когда сигналы Uвх и Uос противофазны.
Если входной сигнал Uвх и сигнал ОС совпадают по фазе, обратную связь называют положительной (ПОС), а коэффициент усиления каскада, охваченного ПОС:
KПОС 1 K K
Получается, что ПОС увеличивает, а ООС уменьшает коэффициент усиления напряжения при любых значениях К и β, то есть
КПОС>К, а КООС<К.
В случае К∙β=1 из соотношения K ПОС |
|
|
K |
|
следует, что |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
1 |
|
K |
КПОС=∞. При этом усилитель вобуждается, превращаясь в генератор.
В таблице 1 показано влияние ООС на показатели усилительного каскада:
|
|
Таблица 1 |
Нелинейные искажения |
уменьшаются |
|
Полоса пропускания усилительно- |
расширяется |
|
го каскада |
|
|
Стабильность коэффициента уси- |
повышается |
|
ления |
|
|
Rвх каскада при |
по напряже- |
увеличивается |
последовательной |
нию |
|
ООС |
по току |
увеличивается |
|
|
|
Rвх каскада при |
по напряже- |
уменьшается |
параллельной ООС |
нию |
|
|
по току |
уменьшается |
|
|
|
Rвых при последо- |
по напряже- |
уменьшается |
вательной ООС |
нию |
|
|
по току |
увеличивается |
|
|
|
Rвых при парал- |
по напряже- |
уменьшается |
лельной ООС |
нию |
|
|
по току |
уведичивается |
|
|
|
142