3.9. Стабильность показателей усилителей

Все показатели усилителя могут изменяться во времени под влиянием целого ряда дестабилизирующих факторов. К ним относятся: старение компонентов и УЭ усилителя, изменение температуры окружающей среды, изменение напряжения источников питания, замена компонентов и УЭ усилителя. Показатели меняются потому, что под влиянием дестабилизирующих факторов меняются параметры отдельных компонентов усилителя, режимы работы УЭ, статический коэффициент усиления по току h_21э БТ, крутизна вольтамперной характеристики ПТ и ЭЛ и т.д.

Непостоянство того или иного показателя усилителя (К^*, К, Z_вых, Z_вх и т.д.) обычно оценивают его относительной нестабильностью.

Относительная нестабильность показателя – это отношение абсолютного приращения этого показателя, вызванного воздействием дестабилизирующих факторов бесконечно малой величины, к его номинальному значению. Например, относительная нестабильность сквозного коэффициента усиления будет К^*/К^* или, переходя к бесконечно малым приращениям — dК^*/К^*.

Следует заметить, что относительная нестабильность очень сложно зависит от дестабилизирующих факторов.

Наряду с относительной нестабильностью пользуются чувствительностью показателей. Применительно к коэффициенту усиления это будет отношение относительной нестабильности коэффициента усиления dК^*/К^* к относительной нестабильности какого-либо дестабилизирующего параметра, например, температуры окружающей среды Т_ср.:

,

где - частная производная, называемая функцией чувствительности или коэффициентом влияния температуры Т_ср на коэффициент усиления К^*.

В заключение главы 3 следует отметить, что кроме рассматриваемых основных технических показателей и характеристик существуют и другие важные характеристики усилителей. К ним относятся:

• параметры ручных и автоматических регулировок усиления; конструктив-но-эксплуатационные характеристики, включающие в себя надежность работы, габариты и массу устройств, их ремонтоспособность и т.д.;

• производственно-экономические характеристики, включающие в себя стоимость, степень интеграции, серийноспособность и т.д.

Надо сознавать, что все рассмотренные выше показатели и характеристики усилителей взаимосвязаны друг с другом и попытки улучшения одних показателей могут затронуть другие показатели, например, усложнить устройство и повысить его стоимость, потребовать новых схемотехнических решений и повышения степени интеграции и т.д.

Глава 4 Обратные связи в усилителях

1. Основные определения и классификация обратных связей

Обратной связью (ОС) в усилителях называют такое явление, при кото-

ром часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя поступает обратно на его вход по цепи, называемой цепью обратной связи. Сказанное иллюстрируется упрощенной (однопроводной) структурной схемой усилителя с цепью обратной связи , приведенной на рис. 4.1.

К

Z_н



Источник сигнала

Усилитель

(зависимый активный четырёхполюсник)

Нагрузка

U_вх

K_вх.ц

U_ОС

Рис. 4.1.

Е_ист; Z_ист

U_вых

Цепь ОС

(пассивный четырёхполюсник)

Здесь: - коэффициент усиления напряжения сигнала в усилителе без ОС;

- коэффициент передачи напряжения сигнала во входной цепи усилителя без ОС;

Uос - напряжение обратной связи (возвратное напряжение сигнала), подводимое по цепи ОС с выхода усилителя к источнику сигнала и сопоставляемое с Е_ист (здесь следует отметить, что в принципе можно иметь дело с напряжением ОС непосредственно на входе усилителя U^*_ОС, получаемое умножением U_ОС на коэффициент передачи входной цепи К_вх.ц усилителя U^*_ОС= U_ОС К_вх.ц и сопоставляемое с U_вх);

- коэффициент передачи напряжения сигнала по цепи ОС до источника сигнала (а – коэффициент передачи напряжения сигнала

по цепи ОС до входа усилителя).

В общем случае  (или *) является комплексной величиной, зависящей от частоты. Такую ОС называют частотно-зависимой. Если же  (или *) в диапазоне рабочих частот усилителя является действительной величиной, не зависящей от частоты, то такую ОС называют частотно-независимой. В реальных (двухпроводных) схемах -цепь обычно представляет собой пассивный четырехполюсник. На практике модуль  обычно значительно меньше единицы <<1. При отсутствии ОС =0.

Как видно из рис. 4.1. при обратной связи во входной цепи взаимодействуют сигналы (напряжения и токи), поступающие от источника сигнала и по цепи ОС с выхода усилителя. Взаимодействие происходит по мгновенным значениям напряжений и токов сигнала. Фазы напряжения обратной связи U_ОС и ЭДС источника сигнала Е_ист (или напряжения обратной связи U^*_ОС и входного напряжения сигнала усилителя U_вх) могут совпадать, быть противоположными или произвольными относительно друг друга.

При совпадении фаз результирующий сигнал во входной цепи возрастает, что приводит к возрастанию сигнала на выходе усилителя, то есть к возрастанию сквозного коэффициента усиления усилителя. Такая ОС называется положительной.

При противоположных фазах сигнал во входной цепи уменьшается, что приводит к уменьшению сигнала на выходе усилителя, то есть к уменьшению сквозного коэффициента усиления усилителя. Такая ОС называется отрицательной.

При произвольных фазах напряжения U_ОС и ЭДС Е_ист (или напряжений U^*_ОС и U_вх) ОС будет комплексной.

Как показано дальше, ОС влияет не только на сквозной коэффициент усиления, но и на все показатели усилителя.

Обратные связи могут быть:

• внутренними, возникающими в УЭ вследствие особенностей их свойств и конструкции, что учитывается некоторыми параметрами УЭ (например, параметром h_22э в БТ и т.д.);

• паразитными, возникающими вследствие паразитных индуктивных, емкостных и других связей между цепями усилителя, в том числе между выходом и входом усилителя;

• специально вводимыми с помощью внешних по отношению к усилительному тракту цепей ОС, называемыми внешними ОС.

Внутренние и паразитные ОС возникают помимо нашего желания. Они произвольно изменяют показатели усилителя, обычно ухудшая их. Поэтому внутренние и паразитные ОС стремятся устранить или, по крайней мере, ослабить до допустимого значения, о чем будет говориться дальше в соответствующих местах. Внешние же ОС вводят специально такими, чтобы они улучшали показатели усилителя. В этой главе основное внимание уделяется именно таким обратным связям.

Замкнутый контур, образованный усилительным трактом (входной цепью с К_вх.ц и зависимым активным четырехполюсником с К) и цепью ОС  (пассивным четырехполюсником с ), называется петлей ОС.

ОС может охватывать один каскад, группу каскадов или весь усилитель. Если она охватывает один каскад, ее называют местной ОС, если она охватывает группу каскадов или весь усилитель, ее называют общей ОС.

ОС может быть однопетлевой (рис. 4.1.) и многопетлевой. При многопетлевой ОС петли ОС могут быть независимыми друг от друга, а могут полностью или частично входить одна в другую. На рис. 4.2 в порядке иллюстрации приведена упрощенная (однопроводная) схема трехкаскадного усилителя с трехпетлевой ОС; с двумя местными ОС в первом и третьем каскадах (₁ и ₃) и одной общей (_общ), охватывающей весь усилитель.

К₁

К₂

К₃

Z_н

₁

₃

_общ

Е_ист; Z_ист

Рис. 4.2

Важнейшим параметром ОС является сквозное петлевое усиление (см.рис. 4.1).

, (4.1)

которое в литературе называют сквозным коэффициентом усиления вдоль всей петли ОС, обозначая его как Т*=К* . Следует попутно отметить, что в литературе используют также название «возвратное отношение», понимая под ним сквозной коэффициент усиления вдоль всей петли ОС, взятый с обратным знаком Т^*_в=-Т^*.

В общем случае петлевое усиление является комплексной величиной, зависящей от частоты. Особый интерес представляют случаи, когда _К*=0 и _К*=180.

При _К*=0 петлевое усиление в (4.1) становится действительной величиной со знаком плюс К^*=+К^*, вектор напряжения ОС совпадает по направлению с вектором ЭДС источника сигнала Е_ист , что, как уже говорилось в начале данного параграфа, соответствует положительной обратной связи (ПОС) и приводит к увеличению сигнала на входе и выходе схемы и к увеличению сквозного коэффициента усиления всей схемы.