Osnovy_skhemotekhniki_posobie

6)Что такое амплитудно-частотная характеристика? а) Зависимость амплитуды от частоты.

б) Зависимость модуля амплитуды от частоты.

в) Зависимость коэффициента передачи от частоты.

г) Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты.

д) Зависимость модуля коэффициента передачи или модуля амплитуды от частоты.

7)В каком случае усилитель можно рассматривать как линейный четырехполюсник? а) Если усилитель описан системой Y-параметров.

б) Если нелинейные искажения, вносимые активными и пассивными элементами малы. в) Если линейные искажения не превышают допустимых значений при малой

амплитуде входного сигнала.

г) Если амплитуда сигнала на входе не превышает допустимых значений.

д) Если температура усилителя невысока и внутренние шумы незначительны, а параметры активных и пассивных элементов стабильны.

8)Как сопротивление нагрузки влияет на коэффициент усиления?

а) Любое подключение нагрузки к усилителю приводит к уменьшению коэффициента передачи.

б) Любое подключение нагрузки к усилителю приводит к увеличению коэффициента передачи.

в) Никак.

9)Каким образом входное и выходное сопротивления зависят от коэффициента усиления? а) С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя

увеличивается.

б) С увеличением коэффициента усиления выходное сопротивление усилителя снижается.

в) С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя снижается, а выходное сопротивление увеличивается.

г) С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя увеличивается, а выходное сопротивление снижается.

д) Никак не зависят.

2.Обратные связи в усилителях

2.1.Классификация обратных связей

Вусилительном устройстве обратной называют связь, которая обеспечивает передачу части сигнала из его выходной цепи во входную. Она применяется для стабилизации коэффициента усиления и уменьшения искажений усиленного сигнала, т.е. для улучшения технических параметров и характеристик усилителя.

Существует несколько признаков классификации обратных связей:

По причинам возникновения ОС:

1)Любой активный элемент всегда имеет внутреннюю проводимость ОС

(у21).

21

2)Паразитная ОС между выходом и входом усилителя, обусловленная электромагнитными наводками. От такой связи всегда стараются избавиться, поскольку её параметры и характеристики зависят от многих факторов и сложно контролируются.

3)ОС специально введенная разработчиком для улучшения параметров усилителя.

По виду ОС:

1) положительная обратная связь (ПОС). ПОС имеет место в том случае,

если сигнал, снимаемый с выхода совпадает по фазе с входным сигналом. При этом результат взаимодействия двух сигналов равен сумме сигналов:

где F 1 K пос , K – коэффициент усиления каскада без ОС, пос –

коэффициент петлевого усиления цепи ОС, Kпос – коэффициент усиления каскада, охваченного ОС, UОС UВых – напряжение на выходе цепи ОС.

Рис.2.1. Функциональная схема ОС

2) отрицательная обратная связь (ООС). Если сигнал на выходе усилителя противоположен по фазе входному сигналу, то тогда имеет место случай ООС.

Как правило, в усилителях применяют именно ООС. При этом результат взаимодействия двух сигналов равен разности сигналов:

ООС.

22

Из выражений для коэффициента усиления каскада, охваченного ООС,

следует, что при введении ООС коэффициент усиления усилителя уменьшается в F раз.

2.1.3) Классификация ОС по способу подачи сигнала обратной связи:

ОС Z-типа (последовательное соединение ОС по входу и выходу)

Напряжение такой ОС зависит от выходного тока, поэтому ее называют последовательной по току. В выходной цепи по всем ее участкам течет один

и тот же ток, который на элементах цепи ОС создает падение напряжения,

пропорционально напряжению ОС. При ХХ на выходе усилителя ток равен нулю, напряжение ОС равно нулю, т.е. ОС исчезает.

Рис.2.2. Последовательная по току ОС

ОС Н-типа (последовательное по входу и параллельное по выходу). На выходе напряжение в цепи обратной связи будет таким же, как и на выходе усилителя. Такую ОС называют последовательной по напряжению.

Рис.2.3. Последовательная по напряжению ОС

ОС Y-типа. (Параллельная ОС по входу и по выходу). Усиливаемый входной ток и ток обратной связи по входной цепи усилителя суммируются.

Поскольку в выходной цепи усилителя охваченного параллельной ОС выходное напряжение усилителя совпадает с входным напряжением цепи ОС, то ОС такого вида называется параллельной по напряжению.

23

Влияние ООС на полосу пропускания f. При введении ООС увеличивается полоса пропускания усилителя. Поскольку площадь усиления постоянно –

K0 f const, то расширение полосы пропускания происходит обратно пропорционально уменьшению коэффициента усиления (в фактор обратной связи раз).

Рис.2.6. Изменение АЧХ при введении ОС

Влияние ООС на стабильность усилителя. Введение ООС позволяет повысить стабильность работы усилителя.

Для схемы на рис.2.1 справедливы следующие соотношения:

UВх Uс UОС,UОС UВых,

UВых UВх K.

Если в результате действия дестабилизирующих факторов начинает увеличиваться входное напряжение, то это приведёт к увеличению выходного напряжение и напряжения ООС, что в свою очередь вызовет уменьшение входного напряжения усилителя, а, следовательно, и выходного напряжения усилителя – UВх UВых UОС UВх .

Влияние ООС на нелинейные искажения. В результате усиления входного сигнала амплитуда выходного напряжения может достигать больших значений в каждом каскаде, что приведет к попаданию в нелинейную часть характеристики ВАХ и появлению нелинейных искажений. Для уменьшения

25

нелинейных искажений, которые чаще всего появляются в оконечных каскадах,

вводят ООС.

Рис.2.7. Изменение АХ при введении ОС

На графике UВх2 UВх1 вследствие передачи напряжения через цепь ОС

– ab = cd, поскольку отрезок UВх2 UВх1 UОС. При введении ОС, для того

чтобы увеличить выходное напряжение с величины UВых2 до величины UВых1

необходимо увеличивать входное напряжение с величины UВх1 до величины

UВх2. Это необходимо, поскольку при введении ООС коэффициент усиления

В исходном усилителе без ООС область нелинейности амплитудной характеристики лежит в диапазоне рабочих входных напряжений, а при введении ООС область нелинейности смещается в нерабочую область больших входных сигналов. Чем больше фактор обратной связи, тем меньше нелинейные искажения и больше ДД по входу, тем меньше паразитных гармоник в выходном сигнале.

Влияние ООС на устойчивость усилителя. Задача обеспечения устойчивой работы усилителя является весьма важной. Усилитель становиться неработоспособным, если он теряет устойчивость, т.к. усилитель переходит в режим самовозбуждения, который сопровождается изменением его основных

26

свойств. Это происходит из-за фазовых сдвигов, вносимых как каскадами усилителя, так и цепью ООС, в результате чего веденная в усилителе ООС,

которая предназначалась для улучшения его характеристик и параметров у границ рабочего частотного диапазона, за его пределами становиться ПОС. При этом коэффициент усиления усилителя стремиться к бесконечности. Физически это означает наличие выходного напряжения при отсутствии напряжение на входе. Усилитель переходит в режим автогенерации.

Проверка усилителя на устойчивость проводится для случая, когда заведомо задана устойчивая структура, в которой отсутствие автоколебаний зависит только от параметров усилителя. В этом случае, для анализа устойчивости усилителя используется его передаточная функция. Для оценки устойчивости усилителя вводят критерии устойчивости. Различают алгебраические и частотные критерии устойчивости. Первые позволяют судить об устойчивости по коэффициентам характеристического уравнения, вторые – по форме АЧХ. Для инженеров наиболее удобными являются частотные критерии устойчивости.

Среди частотных критериев устойчивости обычно применяется критерий Найквиста (или годограф). Критерий Найквиста базируется на теореме

«принцип аргумента», по которой функция частоты выражается через модуль и аргумент коэффициента усиления в полярной системе координат. В такой системе координат баланс фаз выполняется на оси Im K 0, а баланс амплитуд выполняется на окружности радиусом единица с центром в начале координат. Таким образом, критической точкой будет точка с координатами

(Re K =-1;Im K 0).

27

Различают три типа годографов усилителей (рис 2.8).

Рис.2.8. Разновидности годографов усилителей: 1) годограф абсолютно устойчивого

усилителя, 2) годограф условно устойчивого усилителя, 3) годограф неустойчивого

усилителя

1)Абсолютно устойчивый усилитель. Фазовый сдвиг здесь такой, что при любом значении коэффициента усиления критическая точка с координатами

(-1;0) не охватывается годографом.

2)Условно устойчивый усилитель. Годограф не охватывает критическую точку. Однако коэффициент усиления здесь таков, что при перегрузке усилителя сильным сигналом или помехой, годограф может сместиться и охватить критическую точку. Это приведет к самовозбуждению усилителя.

Чтобы не допускать выполнения условия самовозбуждения в условно устойчивых усилителях при перегрузках, необходимо осуществлять автоматическую регулировку фазового сдвига, изменяя форму годографа

(рис. 2.9).

Рис.2.9. Регулировка фазового сдвига условно устойчивого годографа

3)Неустойчивый усилитель. Критическая точка охватывается годографом,

поэтому усилитель является неустойчивым. Однако если уменьшить коэффициент усиления усилителя критическая точка не будет охвачена годографом и неустойчивый усилитель станет устойчивым. Можно подобрать такое значение коэффициента усиления усилителя, что годограф

28

пройдет через критическую точку, и усилитель окажется на границе устойчивости.

Вследствие технологического и температурного разброса параметров усилителя рассчитанный теоретически годограф не будет совпадать с реальным. Для того чтобы избежать самовозбуждения усилителя в результате изменения его годографа под действием указанных выше факторов предусматривают запас устойчивости усилителя (запас по усилению Ky и

запас по фазе у).

Рис.2.10. Запас устойчивости по усилению – Ky 1 K 0 0 и запас по фазе –

у среза

Рекомендуемое значение запаса по усилению составляет Ky 0,6 0,8, а

по фазе у 300 700. Все рекомендации относятся к запасу устойчивости

инверсного усилителя.

Для обеспечения устойчивой работы усилителя следует снижать коэффициент усиления за пределами полосы пропускания, т.е. необходимо вводить частотно-зависимую ООС, для того, чтобы за пределами полосы пропускания не выполнялось условие баланса фаз.

Обобщая влияние ООС на работу усилителя, следует сказать, что ООС улучшает все характеристики усилителя за исключением коэффициента усиления.

29

Контрольные вопросы

10)Какую связь в усилительном устройстве называют обратной?

а) Связь, которая обеспечивает передачу части сигнала из его входной цепи в выходную.

б) Связь, которая обеспечивает передачу части сигнала из его выходной цепи во входную.

в) Связь, которая обеспечивает снижение коэффициента усиления. г) Связь, которая обеспечивает расширение полосы пропускания. д) Все выше перечисленные.

11)Какую обратную связь в усилительном устройстве называют отрицательной?

а) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет отрицательную амплитуду. б) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет одинаковую амплитуду. в) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет одинаковый спектр.

г) Если сигнал в точках подключения обратной связи имеет одинаковую фазу. д) Если сигнал в точках подключения обратной связи находится в противофазе.

12)Что следует делать для обеспечения устойчивой работы усилителя?

а) Следует увеличивать коэффициент усиления во всей полосе пропускания.

б) Следует увеличивать коэффициент усиления в области нижних частот полосы пропускания.

в) Следует снижать коэффициент усиления в области верхних частот полосы пропускания.

г) Следует снижать коэффициент усиления за пределами полосы пропускания. д) Следует уменьшать полосу пропускания.

13)Как влияет введение ООС на нелинейные искажения?

а) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения увеличиваются вследствие расширения ДД по входу.

б) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения уменьшаются вследствие расширения ДД по входу.

в) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения увеличиваются вследствие расширения ДД по выходу.

г) При увеличении фактора обратной связи нелинейные искажения уменьшаются вследствие расширения ДД по выходу.

14)Как влияет введение ООС на номинальный коэффициент усиления и полосу пропускания?

а) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления и полоса пропускания уменьшаются вследствие уменьшения площади усиления.

б) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления увеличивается, а полоса пропускания уменьшается вследствие постоянства площади усиления.

в) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления уменьшается, а полоса пропускания расширяется вследствие постоянства площади усиления.

г) При увеличении фактора обратной связи номинальный коэффициент усиления и полоса пропускания увеличиваются вследствие увеличения площади усиления.

30