Глава 5. Обратная связь в усилителях

Так как для усилителей на ПТ K

CKB = K , то соотношение

(5.3) и (5.4) соответственно принимают вид

и

K ос = K /(1 − β K )

K ос = K /(1 + β K ) = K / F ,

(5.5)

(5.6)

где K OC – коэффициент усиления каскада на ПТ с ОС; F –

глубина ОС.

В ряде случаев цепь ОС можно представить в виде Г-образ-

ного делителя, состоящего из двух элементов (резисторы ROC и

RT на рис. 5.5,а). Если цепь ОС включает в себя несколько резис-

торов, конденсаторов и катушек индуктивностей, то объединив

их в параллельную и последовательную ветви, ее ОС можно пред-

ставить также в виде Г-образной эквивалентной схемы делите-

ля.

Как следует из (5.4) и (5.6), при ООС коэффициент усиления

напряжения для каскада или каскадов, охваченных ОС, уменьша-

ется в FCKB или F раз и, следовательно, выходное напряжение

усилителя также уменьшается и становится равным

U ВЫХ .ОС = Е И К СКВ.ОС или U ВЫХ .ОС = Е И К ОС . Поэтому для сохра-

нения на выходе каскада прежнего (до введения ОС) значения

напряжения U ВЫХ следует увеличить напряжение сигнала на входе

усилителя в FCKB или F раз. Кстати, новые свойства усилителя с

ОС и проявляются при условии, что U ВЫХ .ОС = U ВЫХ .

При больших значениях β К

(β К 〉〉1) соотношение (5.6) мож-

но записать в упрощенном виде:

K ос = K /(1 + β K ) ≈ 1 / β .

(5.7)

– 63 –

Л.В. Кропочева. «Усилительные устройства»

§4. Амплитудно-частотная и фазо-частотная

характеристики

Амплитудно-частотная характеристика усилительного кас-

када представляет собой зависимость его коэффициента усиле-

ния К от частоты f усиливаемых колебаний (рис. 5.8). Фазо-ча-

стотная характеристика усилительного каскада представляет со-

бой зависимость вносимого им фазового сдвига ϕ от частоты

колебаний f (рис. 5.9).

Рис. 5.8. Зависимость коэффициента усиления от частоты

усиливаемых колебаний

Рис. 5.9. Зависимость фазового сдвига от частоты колебаний

Реактивные элементы – конденсаторы, катушки индуктив-

ности, содержащиеся в усилителе, а также частотные свойства

самого УУ обусловливают зависимость коэффициента усиления

от частоты и возникновение фазового сдвига. Вызванное их влия-

нием неравномерное усиление в диапазоне частот приводит к ча-

стотным и фазовым искажениям.

Частотные искажения оценивают по отклонению реальной

АЧХ от горизонтальной прямой. Это отклонение выбрано мерой

частотных искажений, ограничивающей весь диапазон частот

– 64 –

Глава 5. Обратная связь в усилителях

определенной полосой их пропускания с граничными частотами

f H на левом склоне полосы пропускания и f B на правом. Сере-

дине полосы пропускания отвечает средняя частота

f ср = f H f B . В области частот от f H до f B (область так на-

зываемых средних частот) считают, что коэффициент усиления

имеет постоянное значение и все остальные параметры можно

принять не зависимыми от частоты. Обычно нижняя граничная

частота f H и верхняя граничная частота f B выбираются на уров-

не, на котором усиление меньше в

2 (0,707) раз, или на 3 дБ,

чем его значение на средней частоте f cp . Для УНЧ за среднюю обычно

принимают 1 кГц. Левее области средних частот расположена об-

ласть нижних, простирающаяся от нуля примерно до f H , а пра-

вее – область верхних частот, простирающаяся примерно от f B

до бесконечности.

В области нижних частот ограничение полосы УНЧ обус-

ловлено разделительными и развязывающими конденсаторами.

При f H → 0 фазовый сдвиг стремится к π 2 .

В области верхних частот предельное ограничение пропус-

кания УНЧ вызвано ухудшением усилительных свойств транзис-

тора, а также наличием паразитных, монтажных емкостей. С по-

вышением частоты емкостное сопротивление падает, стремясь к

нулю при f B → ∞ . При этом фазовый сдвиг стремится к π 2 .

При усилении сигналов звуковых частот частотные искаже-

ния приводят к изменению тембра звука, а при усилении телеви-

зионных и других сложных сигналов они могут существенно из-

менить форму выходного сигнала. Оценку частотных искажений

проводят по нормированной АЧХ, у которой по оси ординат отло-

жены отношения коэффициента усиления на любой частоте к ко-

эффициенту усиления на средней частоте. Тогда отсутствие час-

тотных искажений выражается прямой линией, проходящей на

единичном уровне нормированной АЧХ. Так же нормируют и ча-

стоту, откладывая по оси абсцисс отношение текущей частоты к

одной из граничных частот (для УНЧ), либо к резонансной часто-

те (для УВЧ или УПЧ).

– 65 –

Л.В. Кропочева. «Усилительные устройства»

Предположим, что без ОС каскад усилителя имеет АЧХ и

ФЧХ, показанные соответственно на рис. 5.8 (кривая А) и рис. 5.9

(кривая А). Под действием ОС согласно формуле (5.2) изменяет-

ся коэффициент усиления каскада, а следовательно, и напряжение

на его выходе. Последнее приводит к изменению напряжения ОС

и результирующего напряжения на входе каскада. Однако изме-

нение усиления каскада даже с частотно-независимой ОС проис-

ходит неравномерно в полосе частот и на ее краях. Это объясня-

ется тем, что глубина ОС получается неодинаковой в пределах

полосы частот и на ее краях. На средних частотах коэффициент

усиления максимален. Следовательно, максимально и напряже-

ние как ПОС, так и ООС. Поэтому увеличение усиления (при ПОС)

и его уменьшение (при ООС) будут наибольшими. На краях поло-

сы, где коэффициент усиления падает, уменьшается и напряжение

ОС. Поэтому коэффициент усиления на краях повышается (при

ПОС) или снижается (при ООС) меньше, чем в области средних

частот.

Увеличение глубины ООС приближает форму АЧХ к идеаль-

ной. Однако следует иметь в виду, что при большом числе каска-

дов и достаточно глубокой ООС может произойти подъем усиле-

ния на крайних частотах полосы пропускания (даже при спаде

усиления на этих частотах до введения ОС). Этот подъем вызван

появлением в этом случае ПОС. При охвате ОС меньшего числа

каскадов (одного – двух) или при не очень глубокой ОС выбросы

получаются небольшими. Их можно использовать полезным об-

разом для некоторого расширения полосы равномерно пропускае-

мых частот.

В том случае, когда АЧХ усилителя без ОС имеет подъем

усиления в одной из областей полосы пропускания, действие ПОС

и ООС противоположно: первая увеличивает подъем, а вторая

спрямляет его. Указанные свойства ПОС и ООС широко исполь-

зуют на практике. Когда нужно получить более узкую полосу про-

пускания, например в резонансных каскадах усиления, использу-

ют ПОС и, наоборот, для расширения полосы, например в высоко-

качественных УНЧ или усилителях видеосигналов, используют

ООС. Рассмотренные свойства ООС и ПОС используют также и

при нейтрализации паразитных ОС. Такое воздействие частотно-

независимой ОС на АЧХ более характерно для ОС по напряже-

нию, чем для ОС по току. Последняя в меньшей степени влияет

на частотные искажения, а в УЗЧ и широкополосных усилителях

ОС может вызвать увеличение частотных искажений в области

верхних частот из-за увеличения выходного сопротивления кас-

– 66 –