Разновидности отрицательных обратных связей и анализ их влияния

Для упрощения изложения принимаем условие, что цепь прямой передачи и цепь обратной связи характери­зуются вещественными коэффициентами и что все токи и напряжения описываются вещественными действующи­ми значениями.

Обратимся к обратной связи по напряжению. Она пре­пятствует изменению выходного напряжения при измене­нии сопротивления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по напряжению уменьша­ет выходное сопротивление усилителя. Этот же вывод был сделан выше на основе полученного математического вы­ражения для выходного сопротивления. Можно показать, что характер изменения выходного сопротивления не за­висит от того, является связь параллельной или последо­вательной.

Обратимся к обратной связи по току. Она препятству­ет изменению выходного тока при изменении сопротив­ления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по току увеличивает выходное сопротив­ление. При этом характер изменения выходного сопротив­ления также не зависит от того, является ли связь парал­лельной или последовательной.

Подобные рассуждения (и соответствующие математи­ческие выражения) показывают, что параллельная обрат­ная связь уменьшает входное сопротивление усилителя, охваченного ею, а последовательная увеличивает (что под­тверждает полученное выше математическое выражение). Характер изменения входного сопротивления не зависит от того, является ли обратная связь связью по току или по напряжению.

Обратимся к структурной схеме усилителя с отрица­тельной последовательной обратной связью по напряже­нию и к полученному выражению

Если окажется, что на некоторой частоте аргумент φ комплексной величины окажется равен π, то это будет означать, что напряжение обратной связи и_ос по фазе совпадает с напряжением и_вх1 и напряжением и_вх2. В этом случае окажется, что обратная связь станет положитель­ной. Если к тому же окажется, что на рассматриваемой частоте выполняется условие , то это будет означать, что сигнал, проходящий последовательно через цепь прямой передачи и цепь обратной связи, усиливается. При этом и в случае нулевого напряжения и_вх1 напряжения и_вх2, и_вых, и_ос окажутся нулевыми, т.е. усилитель по существу превратится в генератор. Это явление называется самовозбуждением усилителя.

Для предотвращения самовозбуждения необходимо предпринимать меры (например, осуществлять частотную коррекцию операционного усилителя, играющего роль цепи прямой передачи), обеспечивающие выполнение одного из следующих, но сути равноценных, условий:

На практике обычно пользуются вторым условием.

Угол α, определяемый выражением α=π-φ, называют запасом устойчивости по фазе.

Запас устойчивости по фазе должен быть не менее 30…60 или даже 65 градусов.

Усилители на биполярных транзисторах Режимы работы транзистора в усилителе

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзис­торе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспе­чить начальный режим работы (статический режим, ре­жим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами элек­тродов транзистора и напряжениями между этими элект­родами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «на­чальный режим работы усилителя». Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называе­мой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (U_КЭН, I_КН), где U_КЭН и I_КН - начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллек­тора. Для стабильной работы усилителя стремятся не до­пускать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начально­го режима традиционно и вполне оправданно рассматри­вают следующие три схемы:

- с фиксированным током базы;

- с коллекторной стабилизацией;

- с эмиттерной стабилизацией.

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Схема с фиксированным током базы (рис.14). На по­добных схемах источник напряжения Е_к обычно не изоб­ражают.

Рисунок 14

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

Отсюда находим i_к:

что соответствует линейной зависимости вида у = а·х + b.

Это уравнение описывает так называемую линию на­грузки (как и для схемы с диодом). Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 15).

Рисунок 15

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

Отсюда находим ток базы i_б:

Будем пренебрегать напряжением u_бэ, т.к. обычно u_бэ<<Е_к. Тогда

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток i_б задаётся величинами E_к и R_б (ток «фиксирован»). При этом

Пусть i_б=i_б2. Тогда НРТ займёт то положение, которое указано на рис. 15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, i_б=0), а самое верхнее положение – точке Z (режим насыщения i_б ≥ i_б4).

Схему с фиксированным током базы используют ред­ко по следующим причинам:

- при воздействии дестабилизирующих факторов (на­пример, температуры) изменяются величины β_ст и , что изменяет ток I_кн и положение начальной рабочей точки;

- для каждого значения β_ст необходимо подбирать соответствующее значение R_б, что нежелательно при ис­пользовании как дискретных приборов (т. е. приборов, из­готовленных не по интегральной технологии), так и инте­гральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией (рис.16). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима.

В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы - коллектор транзистора соединен со входом схемы - базой транзистора с помо­щью сопротивления R_б). Рассмотрим ее проявление на следующем примере. Пусть по каким-либо причинам (на­пример, из-за повышения температуры) ток i_K начал уве­личиваться. Это приведет к увеличению напряжения u_rk, уменьшению напряжения и_кэ и уменьшению тока i_б ( ), что будет препятствовать значительному увеличению тока i_к, т.е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Рисунок 16

Схема с эмиттерной стабилизацией (рис.17). В зару­бежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, что­бы зафиксировать ток i_э и через это ток i_K (i_K ~ i_э). С ука­занной целью в цепь эмиттера включают резистор R_э и создают на нем практически постоянное напряжение и_Rэ. При этом оказывается, что

Рисунок 17

Для создания требуемого напряжения и_Rэ используют делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂. Сопротивле­ния R₁, и R₂ выбирают настолько малыми, что величина тока i_б практически не влияет на величину напряжения u_R2. При этом

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

При воздействии дестабилизирующих факторов вели­чина и_бэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и ве­личина и_Rэ. На практике обычно напряжение и_Rэ состав­ляет небольшую долю напряжения Е_к.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D. Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (i_к> 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входно­го сигнала. В режиме В I_КН = 0, поэтому ток коллектора мо­жет только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).