2.7. Влияние отрицательной ос на нелинейные искажения усилителя

Усиление сигнала сопровождается нелинейными искажениями его формы, что означает возникновение и добавление к выходному колебанию результатов искажения полезного сигнала или высших гармоник (а в случае сложного усиливаемого колебания - еще и комбинационных составляющих). Таким образом, на выходе усилителя искаженный им сигнал можно представить в виде суммы неискаженного колебания и результатов искажения полезного сигнала.

Охватим усилитель отрицательной ОС. Она уменьшит обе составляющие выходного напряжения. Но чтобы блок К усиливал сигнал с прежней амплитудой (тогда он будет создавать прежний уровень нелинейных искажений), одновременно с подачей сигнала ОС увеличим амплитуду усиливаемого напряжения, подаваемого на вход схемы. Тогда на выходе окажутся уменьшенными в F_ВХ(0) раз только искажения и коэффициент гармоник усилителя с ОС

. (20)

Конечно, если задано не входное напряжение на зажимах 1–1’, а ЭДС Е_г, то здесь вместо F_ВХ(0) следует писать F.

Уменьшение нелинейных искажений, как и любое повышение точности воспроизведения колебания, можно рассматривать так же, как результат стабилизации коэффициента передачи мгновенных значений.

Для уменьшения нелинейных искажений отрицательной ОС охватываются в основном выходные каскады усилителей, так как в них амплитуда колебания, а значит, и нелинейные искажения велики. Кроме уровня искажений отрицательная ОС понижает также уровень фона и других помех, если они возникают внутри усилителя. Однако отношение сигнал-шум на выходе с помощью ОС повысить не удается, так как основная часть выходного шума создается входной цепью усилителя, т.е. поступает в него вместе с усиливаемым колебанием.

2.8. Каскад усиления с последовательной отрицательной ос по току

Принципиальная схема каскада на биполярном транзисторе приведена на рис. 11,а. Там же показан источник входного сигнала Е_ИСТ, R_ИСТ и сопротивление нагрузки R_Н. На схеме R_К - резистор в цепи коллектора, R₁ и R₂ - базовый делитель смещения транзистора, а конденсаторы С₁ и С₂ разделительные - их сопротивление в области средних частот пренебрежимо мало.

Рис. 11

а)

в)

б)

г)

б

э

Обратная связь создается резистором R_CB . Через него протекает весь ток нагрузки транзистора R_НТ = R_Н || R_К (так как I_Э ≈ I_К) и создает на нем напряжение ОС. Оно направлено навстречу входному напряжению, а поэтому связь отрицательная, последовательная. Это наиболее простая схема реализации ОС и поэтому встречается наиболее часто. Обычно ее применяют для повышения входного сопротивления и уменьшения нелинейных искажений.

Ограничимся анализом каскада только в области средних частот, где реактивности элементов почти не проявляются. Очевидно, что внутреннее сопротивление эквивалентного генератора входного сигнала, подаваемого на базу транзистора, R_Г = R_ИСТ || R₁ || R₂. Оно влияет на выходное сопротивление биполярного транзистора.

К этому каскаду применима рассмотренная теория ОС с разрывом петли и отысканием петлевого усиления. Однако здесь анализ можно выполнить проще. Так, при определении входного сопротивления можно считать, что включение R_СВ эквивалентно увеличению сопротивления эмиттерного перехода и поэтому входное сопротивление транзистора с ОС (рис.11,б)

R_{ВХ } = r_б+(r_э+R_СВ)(1+β) = h_11Э+ R_СВ (1+β). (21)

В соответствии с (21) входное сопротивление можно условно изобразить в виде схемы рис.11,в, где точки б и э представляют выводы базы и эмиттера. Очевидно, что коэффициент передачи входной цепи, как делителя, показанного на рисунке, запишется следующим образом:

. (22)

В последней записи учтено, что (1+β)/h_11Э ≈ β/h_11Э = S - крутизна транзистора. Тогда коэффициент усиления каскада с ОС K_β = K_ВХSR_НТ. Последняя формула с использованием крутизны S подходит и для каскада на полевом транзисторе.

Выходное сопротивление с учетом отрицательной связи по току проще найти для полевого транзистора. В качестве примера на рис.11,г приведена упрощенная схема на полевом транзисторе с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа. Эквивалентный генератор входного сигнала погашен (Е_Г = 0). Поэтому вся цепь по отношению к выходным зажимам является пассивной. Для определения ее сопротивления с учетом ОС по току, создаваемой резистором R_СВ, подадим на сток извне приращение напряжения ΔU. Это вызовет приращение тока транзистора:

. (23)

Здесь дробь согласно закону Ома представляет приращение тока через выходное сопротивление транзистора R_i (исток - сток) без учета ОС. Так как к точкам исток-сток будет приложено не все поданное ΔU , а часть его упадет на R_СВ, эта часть вычитается в выражении (23) из ΔU в числителе.

С учетом ОС приращение Δi будет меньше, чем дает дробь в (23), так как падение напряжения на R_СВ, вызванное протеканием Δi, приложено к точкам входа транзистора исток-затвор (падения напряжения на R_Г нет, так как ток затвора отсутствует), причем полярность его такова, что оно стремится уменьшить ток транзистора. Это уменьшение и отражено вторым членом правой части формулы, где S - крутизна полевого транзистора.

Из формулы (23) выходное сопротивление транзистора с ОС (рис.11,г)

. (24)

Второе слагаемое в круглых скобках обычно не учитывают ввиду его малости.

Если в (24) раскрыть все скобки, то получим .

Отсюда видно, что добавление в схему резистора R_СВ увеличивает выходное сопротивление больше, чем на R_СВ. Причиной такого превышения, как уже указывалось, является то, что с резистора связи на входные зажимы транзистора поступает напряжение ОС.