Основы схемотехники. Для студентов 3 курса (специальности 200900, 201000, 201100, 201200)

Раздел 1. Основны е положения  Глава 1. Общие св едения об усилителях  В  большинстве  радиотехнических  устройств  необходимо  обеспечить  усиление  электрических  сигналов.  Для  этого  используются  устройства,  называемые  усилителями.  Абсолютное  большинство  усилительных  узлов  выполняется  на  элементной  базе  электронной  техники,  где в качестве усилительных элементов используются полупроводниковые и  электровакуумные приборы (электронные усилители).  Для  классификации  усилителей  используются  основные  классификационные признаки:  ­  характер  усиливаемого  сигнала:  усилители  гармонических  и  импульсных  сигналов;  усилители  постоянного  тока,  усиливающие  как  переменную,  так  и  постоянную  составляющие  сигнала  и  усилители  переменного  тока,  в  том  числе  усилители  звуковых  частот,  пропускающие  частоту    от  20  Гц  до  20  кГц;  усилители  видеочастот,  работающие  в  полосе  частот  от  50  Гц  до  6  МГц  (такие  усилители  называются  еще  и  широкополосными); усилители высокой частоты – избирательные усилители,  используемые  в  трактах  высокой  и  промежуточной  частот  радиоприемных  устройств;  ­  тип  усилительного  элемента:  транзисторные,  ламповые,  квантовые, магнитные;  ­  назначение:  трансляционные,  микрофонные,  телевизионные  и  т.д.;  ­  конструктивное  выполнение:  усилители,  выполненные  по  дискретной технологии и усилители, выполненные с помощью интегральной  микросхемотехники.  Кроме  того,  можно  классифицировать  усилители  по  электрическому  параметру  усиливаемого  сигнала:  усилители  напряжения,  тока  и  мощности,  а  также,  исходя  из  наиболее  характерного  его  свойства:  малошумящий усилитель, высокостабильный, высоколинейный и т.д.  В  данном  курсе  будем  рассматривать  электронные  усилители  звуковых и видеочастот, предназначенные для усиления как гармонических,  так  и  импульсных  сигналов,  выполненные  по  дискретной  и  интегральной  технологии.  Усилением  называется  процесс  управления  энергией  источника  питания  с  целью  получения  на  выходе  усилительного  устройства  сигнала  большей мощности, качественные показатели которого с заданной степенью  точности  соответствуют  аналогичным  характеристикам  входного  сигнала.  Основным  признаком  усиления  является  увеличение  мощности  исходного  сигнала,  происходящее    за  счет  энергии  источника  питания.  Обобщенная  структурная схема усилительного устройства показана на рис. 1.1.

Источник сигнала (ИС) обеспечивает мощность на входе усилителя  P вх  и  представляет  собой  преобразователь  какого­либо  вида  энергии  в  электрические  колебания  (микрофон,  звукосниматель,  магнитная  головка  и  т.д.).  От  источника  питания  (ИП)  усилитель  отбирает  мощность  P  ,  0 

необходимую  для  усиления  входного  сигнала.  Выходная  мощность  усиленного сигнала  P н  выделяется в активной части нагрузки (Н), которая в  общем случае имеет комплексное сопротивление. 

Рис. 1.1 

Для  теоретических  исследований  ИС  представляют  эквивалентной  схемой  в виде генератора ЭДС с внутренним сопротивлением  Z и или в виде  генератора тока с внутренней проводимостью  Y и  (рис. 1.2 а и 1.2 б). 

Рис. 1.2а. 

Рис. 1.2 б. 

Клеммы  1­1  –  это  входные  клеммы  усилителя,  представляемого  в  виде  четырехполюсника,  параметры  которого  определяет  ИП.  Тогда  обобщенная  структурная  схема  усилительного  устройства  может  быть  изображена в виде рис. 1.3.  Известно,  что  четырехполюсники  можно  рассматривать  как  линейные или нелинейные устройства, что в дальнейшем будем использовать  при анализе различных типов усилительных каскадов.  Основным  элементом  усилителя  является  усилительный  элемент  (УЭ),  связанный  с  источником  сигнала    и  нагрузкой  цепями  связи,

обеспечивающими  передачу  энергии  от  ИС  во  входную  цепь  и  от  УЭ  к  нагрузке. 

Рис. 1.3. 

Очевидно,  требуемое  усиление  обычно  не  удается  обеспечить  с  помощью  одного  УЭ  и  реальный  усилитель  состоит  из  нескольких  последовательно включенных усилительных каскадов. Усилительный каскад  –  это  УЭ  вместе  с  цепями  связи  (ЦС)  и  элементами,  обеспечивающими  режим  работы  УЭ.  Первые  каскады  усилителя,  работающие  при  малом  уровне сигнала, называются каскадами  предварительного  усиления (КПУ)  и  рассматриваются как линейные четырехполюсники.  Оконечный  каскад  усиления  (ОКУ),  а  иногда  и  предоконечный  каскад  усиления  (ПОКУ)  обычно  работают  при  высоком  уровне  сигнала  и  при анализе необходимо учитывать нелинейность УЭ.  Для  передачи  сигнала  от  одного  каскада  к  другому  используются  цепи  межкаскадной  связи.  Наиболее  универсальная  структурная  схема  многокаскадного усилителя показана на рис. 1.4. 

Рис. 1.4.  Глава 2. Основны е технические показатели усилителей  Электронные  усилители,  применяемые  в  различных  областях  техники  при  разных  условиях  эксплуатации,  должны  удовлетворять  определенным  техническим  требованиям.  Технические  показатели,  как  правило,  определяются  ГОСТ,  ОСТ,  а  также  специальными  руководящими

техническими  материалами.  При  этом  методы  их  измерения  также  стандартизированы.  Основные  технические  показатели  удобно  разделить  на  отдельные  группы. 

2.1. Входны е и вы ходны е пок азатели  &  К  входным  показателям  относят  напряжение  U&  вх ,  ток  I вх или  мощность  P вх  (рис.  1.3.),  воздействие  которых  обеспечивает  необходимые  выходные  параметры  усилителя  при  заданных  искажениях  сигнала,  а  также  входное  сопротивление  Z&  вх ,  действующее  между  клеммами  1­1.  При 

линейной входной цепи ( т.е.  Z&  вх ).  & .  U& =  I & Z  вх  вх  вх 

Входная  мощность  определяется  при  чисто  активном  входном  сопротивлении и для гармонического сигнала  2  /  R  = I 2  R  ,  Pвх  = 0 , 5 U  m вх I m  вх  = U вх I вх  = U вх  вх  вх  вх 

где 

U  ,  I  ­  амплитуды  напряжения  и  тока  на  входе  m  вх  m  вх 

усилителя.  К  выходным  показателям  относятся  напряжение  U& вых ,ток  I&  н  или  мощность  P н , создаваемые усилителем на заданном сопротивлении нагрузки  Z&  н  при  допустимых  искажениях  сигнала.  Мощность  P н  определяют  при  активном сопротивлении нагрузки  Z&  н = R н .  При гармоническом сигнале  где 

2 R  = U 2  / R  ,  Pн  = 0 , 5 I m н U m вых  = I н U вых  = I н  н  вых  н  I mн и  U m вых амплитудные  значения  тока  и  напряжения  на 

выходе усилителя.  К  выходным  показателями  усилителя  относят  и  выходное  сопротивление Z&  вых ,  которое  определяется,  исходя  из  представления  усилителя активным четырехполюсником  & & & & Z&вых  = U  вых  х  х  / I вых  кз  = E вых  /  I вых  кз . 

Здесь­  U вых  хх  ­ напряжение холостого хода на выходе усилителя,  I вых кз ­ ток в выходной цепи при  Z н  =0 (короткое замыкание). 

2.2.Коэффициенты  усиления  Коэффициент  усиления  по  напряжению  K&  u представляет  собой  отношение  установившегося  значения  комплексной  амплитуды  напряжения  сигнала на выходе усилителя (клеммы 2­2 рис. 1.3) к комплексной амплитуде  напряжения сигнала на входе (клеммы 1­1 рис. 1.3):  & U  & K u =  вых  & U  вх  &  Коэффициент  усиления  по  току  Ki  ­  отношение  установившегося 

значения  комплексной  амплитуды  тока  сигнала  в  нагрузке  усилителя  к  комплексной амплитуде сигнала на входе  I &н  & K i =  .  I &вх  &  В  общем  случае  K&  u и  K i  ­  комплексные  величины,  зависящие  от  частоты сигнала, что обусловлено наличием в   цепях  усилителя реактивных  элементов.  В  области  средних  частот  выходные  напряжения  и  токи  не  приобретают  дополнительных  фазовых  сдвигов  и  не  зависят  от  частоты.  Коэффициенты усиления на этих частотах – действительные величины:

U m вых  U  вых ü K u  ср  =  = ï U m вх  U  вх  ï ý .  I m н  I  н  ï K i  ср  = = ï I m вх  I  вх  þ Коэффициент  усиления  по  мощности  K p  показывает,  во  сколько 

раз  мощность  P н ,  отдаваемая  усилителем  в  заданную  нагрузку  R н  больше  мощности  P вх , подводимой к входу усилителя  P  K p =  н  = K u  ср × K i  ср  P вх 

Часто коэффициенты усиления удобно выражать в децибелах:  К и [дБ]= 20lg К и ;  K i [дБ]= 20lg K i ;  K p [дБ]= 10lg K p . 

Для  оценки  использования  ЭДС  источника  сигнала  применяют  сквозной коэффициент усиления по напряжению  & *  U вых  & ,  K&u  =  = a&K  u  & E u 

где a&­ коэффициент передачи входной цепи по напряжению  a&  =

&вх  U&вх  Z  = .  (см. рис. 1.3) &u  Z  &вх  + Z  &u  E 

(2.1) 

2.3. Коэффициенты  полезного действия  Для  оценки  степени  полезного  использования  мощности,  потребляемой  от  ИП,  вводят  коэффициент  полезного  действия  (КПД).  Различают  КПД  выходной  цепи  УЭ,  КПД  выходной  цепи  усилителя  и  промышленный КПД всего усилителя.  КПД  выходной  цепи  УЭ  –  это  отношение  мощности  сигнала,  создаваемой в выходной цепи  УЭ  P ~  к мощности, потребляемой выходной  цепью от источника питания  P 0 

h  =

P~  .  P 0 

(2.2) 

Этот  КПД  обычно  используют  для  оценки  и  сравнения  экономичности  работы  различных  видов  УЭ  при  различных  способах  включения и различных режимах работы.  КПД  выходной  цепи  усилителя  –  отношение  мощности  сигнала,  отдаваемой  в  нагрузку  усилителя  P н ,  к  мощности,  потребляемой  выходной  цепью  от  источника  питания  P 0 :  h вых = P н  / P 0 .  При  этом  учитываются  потери мощности в выходной цепи усилителя (цепи связи с нагрузкой).  Под  промышленным  КПД  усилителя  понимают  отношение  мощности  P н  к  суммарной  мощности,  потребляемой  всеми  цепями  усилителя от всех источников питания.  2.4. Линейны е искажения  Под  искажениями  понимают  искажения  формы  сигнала  на  выходе  усилителя  по  сравнению  с  формой  ЭДС  источника  сигнала  или  формой  сигнала на входе усилителя.  Различают  линейные  и  нелинейные  искажения.  Линейные  искажения  обусловлены  влиянием  реактивных  элементов  усилителя  –  емкостей  и  индуктивностей,  сопротивления  которых  зависят  от  частоты.  Оцениваются  линейные  искажения  в  усилителях  гармонических  и  импульсных сигналов по­разному.  Форма  сигнала  на  выходе  линейного  усилителя  гармонических  сигналов может отличаться от формы на его входе по двум причинам:  1.  K u  зависит  от  частоты,  следовательно  гармонические  составляющие  входного  сигнала  усиливаются  неодинаково,  то  есть  искажается  спектр  сигнала,  однозначно  связанный  с  его  формой.  Это  амплитудно­частотные искажения.  2. Вносимые  усилителем  фазовые  сдвиги  зависят  от  частоты,  следовательно  изменяется  взаимный  сдвиг  во  времени  гармонических  составляющих. Это фазочастотные искажения.  Амплитудно­частотные  искажения  оцениваются  по  амплитудно­  частотной  характеристике  (АЧХ),  представляющей  собой  зависимость

модуля  комплексного  коэффициента  усиления  по  напряжению  от  частоты  при действии на входе гармонического сигнала.  Реальная АЧХ усилителя показана на рис. 2.1 (кривая 1), из которой  видно,  что  коэффициент  усиления  уменьшается  в  области  очень  малых  и  очень  высоких  частот.  (Объяснение  этого  явления  будет  дано  ниже).  Штриховая линия соответствует идеальной АЧХ, при которой не возникают  амплитудно­частотные искажения. 

Рис. 2.1.  Область  АЧХ,  в  которой  K u  практически  не  зависит  от  частоты,  называют областью средних частот.  Нижней  f нч  или  верхней  f вч граничной  частотой    называют  частоту,  на  которой  K u  уменьшается  до  заданного  (допустимого)  значения  относительно K u ср . Область частот от  f нч  до  f вч ­ рабочий диапазон частот  (полоса пропускания).  Для  сравнения  АЧХ  усилителей  с  различными  значениями  K u ср  (кривые 1 и 2 на рис. 2.1) удобно использовать нормированную АЧХ:  Y ( f ) =  K u ( f )  / K u ср  (2.3)  На  рис.  2.2  приведены  нормированные  АЧХ,  соответствующие  зависимостям (1) и (2) (рис.2.1), откуда видно, что усилитель с АЧХ (2) имеет  меньшие частотные искажения. 

Рис. 2.2  Для  количественной  оценки  коэффициентом частотных искажений

этих 

искажений 

пользуются 

M ( f ) = 

K u cр  K u ( f ) 

=

1  .  Y ( f ) 

Очевидно, что в логарифмических единицах  М[дБ]=20lgМ;  Y[дБ]=20lgY=­M[дБ].  Для  характеристики  усилителя  указывают 

(2.4) 

f нч  и  f вч  при 

определенном М. Часто выбирают М=  2 или М[дБ]=3 дБ.  Фазочастотные  искажения  оценивают  по  фазочастотной  характеристике (ФЧХ), представляющей собой зависимость от частоты фазы  выходного  напряжения  относительно  входного  при  действии  на  входе  гармонического сигнала.  Типичная  ФЧХ  усилителя,  учитывающая  временную  задержку  t з  (групповое  время  запаздывания)  выходного  сигнала  относительно  входного  показана на рис. 2.3 сплошной линией. 

Рис. 2.3.  Очевидно,  не  содержащая  искажений  формы  сигнала  ФЧХ  в  этом  случае  представляет  собой  линейную  зависимость  фазового  сдвига  от  частоты (пунктирная линия на рис. 2.3, наклон которой определяется  t з ):  j ( w ) = -t зw = -2 pt з  f .  При  этом  все  спектральные  составляющие  входного  сигнала  запаздывают на  одинаковое время  t з .  Без  учета  времени  запаздывания  типичная  ФЧХ  усилителя  выглядит как на рис. 2.4. (вывод см. ниже). 

Рис.2.4.  В  усилителях  импульсных  сигналов  линейные  искажения

оцениваются  по  переходной  характеристике  (ПХ)  h (t ) (рис.  2.5),  представляющей  зависимость  от  времени  мгновенного  значения  выходного  напряжения  u вых (t )  при  мгновенном  скачкообразном  изменении  напряжения на входе усилителя в виде единичной функции  1 t  (  ) .  Очевидно,  идеальная    ПХ  отличается  от  единичной  функции  лишь  постоянным  множителем,  равным  коэффициенту  усиления  (пунктирная  линия  на  рис.  2.5).  Рис. 2.5.  Переходные искажения рассматривают отдельно для области малых  времен  (искажение  фронта  импульса)  и  для  области  больших  времен  (искажения  плоской  вершины  импульса).    Искажения  фронта  импульса  оценивают  обычно  по  времени  установления  фронта  t у  и  выбросу  d ф .  Время  установления  определяется  отрезком  времени,  в  течение  которого  выходное  напряжение  нарастает  от  0,1  до  0,9  от  установившегося  значения  U уст  :  t у = t 2  - t 1  (рис. 2.6) 

Рис. 2.6.  Выброс 

фронта 

d ф %  ­  относительная  разность  между 

максимальным  значением  выходного  напряжения  и    его  установившимся  значением  U уст  U max - U y 

d ф %= 

U y 

× 100 = ( y max  - 1 ) × 100 , 

u ( t )  ­ нормированная ПХ.  U уст 

где  y (t ) = 

Искажения  вершины  импульса  оцениваются  спадом  (подъемом)  вершины D ,  которое  определяется  относительным  изменением  выходного  напряжения за длительность импульса  T и (рис. 2.7): 

Рис. 2.7.

U уст  - u T 

D = 

U уст 

× 100 = ( 1 - y T ) × 100 . 

2.5. Нелинейны е иск ажения  Нелинейные  искажения  –  это  изменение  формы  сигнала,  обусловленное нелинейностью характеристик его элементов и, прежде всего,  нелинейностью  вольтамперных  характеристик  УЭ  и  диодов.  Отличительной  особенностью нелинейных искажений является то, что им подвержено даже  гармоническое колебание (рис. 2.8). 

Рис. 2.8.  В  выходном  токе  будут  содержаться  не  только  первая  (основная),  но  и  высшие  гармоники  сигнала.  Нелинейность    усилителя  гармонических  сигналов оценивается в основном по коэффициенту гармоник  К г  при подаче  на вход одного гармонического  колебания.  К г ­ это отношение  усредненной  квадратичной  суммы  высших  гармоник  к  первой  гармонике,  то  есть  отношение действующего значения всех  высших гармоник к действующему  значению первой гармоники тока или напряжения  2  2  2  I 2  + I 3 2  + ...  U m  2  + U m 3 ...  K. г  =  × 100 = 2  I 1  U m  1 

(2.5) 

Для  оценки  нелинейности  по  отдельным  гармоникам  используют  коэффициенты отдельных гармоник  K г 2  = 

I  U  I 2  U m 2  = ;  K г 3  = 3  = m 3  .  I 1  U m 1  I 1  U m 1 

(2.6) 

K г  =  K г 2  + K г 2  + .... 

(2.7)

Из (2.5):  2

3 

Наиболее  заметны  нелинейные  искажения  из­за  образования  колебаний комбинационных частот при подаче на усилитель двух и большего  числа  синусоидальных  сигналов.  Поэтому  для  высококачественных  усилителей  введен  коэффициент  интермодуляционных  искажений  K им .и .  ,  оценивающий уровень гармоник разностной частоты.  Нелинейность  усилителя  импульсных  сигналов  оценивается  непосредственно  степенью  нелинейности  характеристики  УЭ.  При  этом  используется коэффициент нелинейности 

K нел =  где  S = 

S max  - S min  ,  S max 

dI  ­крутизна  соответствующей  характеристики,  S min  и  dU 

S max  ­  максимальное  и  минимальное  значение  крутизны  для  полного  размаха импульсов.  2.6. Динамическ ий диапазон  С  нелинейностью  усилителя  связана  и  нелинейность  его  амплитудной    характеристики  (АХ),  представляющей  собой  зависимость  амплитудного  (или  действующего)  значения  выходного  напряжения  от  амплитудного  (или  действующего)  значения  входного  напряжения  при  воздействии  на  вход  усилителя  гармонического  колебания  постоянной 

частоты (рис. 2.9).  Рис. 2.9.  Штриховой линией показана идеальная АХ, представляющая собой  прямую,  выходящую  из  начала  координат  под  углом,  соответствующим  U вых  = tg a . U вх 

коэффициенту усиления усилителя по напряжению  K u ср  = 

Реальная  АХ  совпадает  и  идеальной  только  в  средней  части.  Начальный  участок  АХ  отклоняется  от  прямой  из­за  наличия  на  входе  усилителя  напряжения  собственных  помех  U п ,  а  верхний  загиб  АХ  обусловлен  нелинейностью  характеристик  элементов  усилителя  и  сопровождается  появлением  нелинейных  искажений.  Рабочим  участком  АХ  является  участок,  отмеченный  точками  А­Б,  где  характеристика  близка  к  линейной.  При  этом  амплитуда  входного  сигнала  может  меняться  от

минимального 

значения 

U вх min до 

U вх ном , 

соответствующего 

номинальному  значению  амплитуды  выходного  сигнала  U вых  ном ,  при  котором обеспечивается допустимый уровень нелинейных искажений.  Динамический диапазон усилителя  U вх ном  D y  =  или  D y [дБ]=20 lg D y .  U вх min 

(2.8) 

Аналогично,  динамический  диапазон  сигнала  характеризует  степень  изменения  уровня  ЭДС  источника  сигнала  DC  =  E u  max  / E u  min . Очевидно,  чтобы  усилитель  смог  воспроизвести  все  изменения уровня входного сигнала, должно выполняться условие  D y  ³  D C .  2.7.Собственны е помехи  При  отсутствии  сигнала  на  входе  усилителя  на  его  выходе  действует  некоторое  напряжение,  обусловленное  собственными  помехами.  Различают  следующие  виды  собственных  помех  усилителей:  фон,  наводки,  микрофонный эффект, тепловые шумы резисторов и элементов с активными  потерями, шумы УЭ.  Фон  обусловлен  недостаточной  фильтрацией  пульсирующего  напряжения источника питания, работающего от сети переменного тока.  Наводки  образуются  из­за  паразитных  электрических,  магнитных,  гальванических, электромагнитных связей с источниками помех.  Микрофонный  эффект  проявляется  за  счет  преобразования  механических  колебаний  элементов  усилителя  в  электрические.  Эти  составляющие  собственных  помех  могут  быть  уменьшены  до  любых  заданных  значений  за  счет  использования  специальных  схемных  и  конструктивных  решений,  а  также  технологии  изготовления  усилителей.  Принципиально  неустранимы  тепловые  шумы  и  собственные  шумы  УЭ  (дробовые  шумы,  шумы  токораспределения,  мерцательные)  ,  представляющие  собой  флуктуационные  колебания,  обусловленные  хаотическим  движением  свободных  носителей  заряда  во  всех  электропроводящих материалах, из которых сделаны детали усилителя.  Для оценки доли собственных шумов отдельных каскадов или всего  усилителя используется коэффициент шума Ш: 

Ш  =

P S  ш  вых  P и .ш . вых 

=

P и . ш . вых  + P соб  P и . ш . вых 

, 

(2.9) 

где  P и . ш . вых ­  мощность  тепловых  шумов  источника  сигнала,  прошедших на выход усилителя;  P соб  ­ мощность собственных шумов.

Учитывая,  что  по  формуле  Найквиста  мощность  шума,  поступающая  от  шумящего  источника  сигнала  с    внутренним  сопротивлением  R и  при его согласовании со входом усилителя ( Ru  =  R вх )  Pиш  вх  = kTП ш ,  ном . 

где  П ш ­ шумовая полоса усилителя, из (2.9) получим:  Ш = 1 +

P соб  .  kTП ш K р 

(2.10) 

Иногда  коэффициент  шума  усилителя  оценивается  по  ухудшению  отношения 

P c 

P ш 

на  его  выходе  относительно  входа  за  счет  действия 

собственных шумов 

P  ( c  Ш  = 

P  (  c 

)  P ш  вх 

. 

)  P ш  вых 

2.8.Стабильность показателей  При  серийном  изготовлении  усилителей,  а  также  во  время  их  эксплуатации  технические  показатели  изменяются.  Так,  при  изготовлении  существует  разброс  параметров  усилительных  и  других  элементов,  в  процессе  старения  и  изменения  параметров  окружающей  среды,  при  изменении напряжения или тока источника питания технические показатели  усилителей могут меняться.  Для  оценки  воздействия  дестабилизирующих  факторов  на  показатели усилителя вводятся понятия нестабильности и чувствительности.  Относительная  нестабильность    показателя  учитывает  воздействие  всех дестабилизирующих факторов и определяется отношением абсолютного  приращения  данного  показателя  к  его  номинальному  значению  при  малом  воздействии  дестабилизирующих  факторов.  Например,  относительная  нестабильность коэффициента усиления  q = 

DK u dK u  = .  K u  K 

Чувствительность  оценивается  по  отношению  к  какому­либо  дестабилизирующему  фактору  (или  параметру)  и  определяется  отношением  относительного  изменения  показателя  усилителя  при  воздействии  этого  фактора  к  относительному  изменению  самого  дестабилизирующего  фактора  (или параметра).  Например, чувствительность  коэффициента  усиления  K и  к  изменению крутизны  S  вольтамперной характеристики УЭ

K 

L S u =

dKu dS  /  .  K u  S 

Очевидно,  при  проектировании  усилителей  стараются  добиться  того,  чтобы  чувствительность  основных  показателей  к  изменению  наиболее  нестабильных параметров была наименьшей. 

Вопросы  для самопроверк и  1.  Какие  каскады  усилителя  могут  рассматриваться  как  линейные  четырехполюсники и почему?  2. В чем отличия коэффициента усиления напряжения от сквозного  коэффициента усиления напряжения?  3.  Что  называют  коэффициентом  частотных  искажений  и  как  он  связан с относительным коэффициентом усиления?  4.  Почему  частотные,  фазовые  и  переходные  искажения  усилителя  называются линейными?  5.  В  чем  принципиальное  отличие  нелинейных  искажений  в  усилителе от линейных и как оцениваются нелинейные искажения?  6.  По  какой  характеристике  усилителя  определяется  его  динамический диапазон?  7.  Перечислите  основные  технические  показатели  усилителей    и  дайте их краткое определение.  8.  Что  является  причиной  возникновения  линейных  искажений  в  усилителях и как они оцениваются?  9. Что характеризуют коэффициенты полезного действия, какие они  бывают и как определяются?  10. Как оценивается стабильность показателей? 

Глава 3. Основы  теории  обратной связи в электронны х  усилителях.  3.1. Основны е определения и классификация  Обратная  связь  (ОС)  действует  во  всех  без  исключения  усилительных каскадах и оказывает влияние на качественные показатели.  Признаком  ОС  является  передача  энергии  сигнала  с  выхода  усилителя (каскада) на  вход, то есть в направлении, обратном направлению  усиливаемого  сигнала.  Для  этого  должна  существовать  цепь  ОС  и

простейшая функциональная схема усилителя, охваченного ОС, может быть  представлена в виде рис. 3.1. 

Рис. 3.1.  Здесь  K&  и  ­ коэффициент усиления по напряжению (без ОС);

b& ­ коэффициент передачи по напряжению цепи ОС.  Классификация ОС может быть представлена следующей таблицей:  ОС  ПАРАЗИТНЫЕ 

ВНУТРЕННИЕ 

ПОЛЕЗНЫЕ 

ВНЕШНИЕ 

МЕСТНЫЕ 

ОБЩИЕ 

СПОСОБ    ОРГАНИЗАЦИИ  ЕМКОСТНАЯ 

ИНДУКТИВНАЯ 

СПОСОБ СЪЕМА 

ПО НАПРЯЖЕНИЮ 

ПО ТОКУ 

ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ 

СПОСОБ ВВОДА 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ 

СМЕШАННАЯ 

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ 

КОМБИНИРОВАННАЯ

Паразитные  ОС  образуются  вне  зависимости  от  желания  людей  за  счет    непредусмотренных  (паразитных)  индуктивных,  емкостных  и  других  связей между цепями. Они могут быть внутренними и внешними.  Полезные  ОС  вводятся  преднамеренно.  ОС,  охватывающая  один  каскад, называется местной, несколько – общей. Цепь ОС совместно с цепью  усилителя, который она охватывает, образует петлю ОС (см. Рис 3.1).  & ­  петлевое  усиление;  T  &* =  b&K  &* и ­  сквозное  петлевое  T&=  b&K  и  усиление.  ОС  могут  быть  однопетлевыми  и  многопетлевыми.  Остановимся  подробнее на видах ОС.  3.2.Виды  ОС  Вид ОС в основном определяется: 

1.  Знаком петлевого усиления Т ( или  T * );  2.  Зависимостью b  от частоты;  3.  Способом снятия и введения энергии сигнала.  По знаку действительного значения петлевого  усиления различают  положительную ( T  > 0 ) и отрицательную ( T  < 0 ) ОС. Характер цепи ОС или  способ  ее  организации  определяет  зависимость b  от  частоты.  Если  в  рабочем  диапазоне  частот  усилителя b  не  зависит  от  частоты,  то  ОС  –  частотно­независимая.  Если  же b  является  функцией  частоты,  то  ОС  –  частотно­зависимая.  По способу снятия энергии сигнала различают ОС по напряжению  (рис. 3.2), по току (рис. 3.3.) и смешанную. 

Рис. 3.2.  В  случае  ОС  по  напряжению  вход  цепи  ОС  подключается  & ) и напряжение на выходе  ¢  = U  параллельно сопротивлению нагрузки ( U&ос  вых  &  цепи ОС  U ос пропорционально напряжению на нагрузке  U&  вых . Выходной ток 

&  усилителя  I&  вых  отличается от тока через нагрузку  I н . 

Рис. 3.3.  Иногда для определения вида ОС в сложных схемах целесообразно  провести  мысленную  проверку:  если  при  КЗ  нагрузки  ОС  пропадает,  то  это  ОС по напряжению.  При  ОС  по  току  вход  цепи  ОС  подключен  последовательно  с  нагрузкой  Z&  н , например с помощью  R ос .

&R ос  прямо пропорционально  ¢ ¢ = U  Напряжение на входе цепи ОС  U&ос 

& & & току через нагрузку  I&  н , причем обычно  I R ос  »  I н  = I вых .  Проверка: если при обрыве нагрузки (хх), ОС пропадает, то это ОС  по току.  Может быть и смешанная ОС, когда напряжение на входе цепи ОС  ¢  и  U ос  ¢ ¢ .  создается за  счет двух напряжений  U ос  По  способу  введения  энергии  сигнала  различают  ОС  последовательную (рис. 3.4), параллельную (рис. 3.5) и комбинированную. 

Рис. 3.4  При  последовательной  ОС  напряжение  ОС  U&  ос (клеммы  3­3)  вводится  последовательно  с  источником  сигнала  E u относительно  входной  цепи  без ОС  U&  вх  (клеммы 1­1). При этом входом усилителя с ОС становятся  клеммы 4­4.  Проверка:  если  ОС  пропадает  при  мысленном  обрыве  цепи  источника сигнала, то это последовательная ОС.  При  параллельной  ОС  выход  цепи  ОС  (клеммы  3­3)  подключен  относительно входной  цепи  усилителя  (клеммы 1­1) параллельно источнику 

&ос .  ЭДС сигнала (клеммы 4­4), при этом  U&вх  = U  Рис. 3.5

Проверка:  если  ОС  пропадает  при  мысленном  КЗ  источника  сигнала, то это параллельная ОС. Может использоваться и комбинированная  ОС.  3.3. Влияние ОС на к оэффициент усиления  Вне  зависимости  от  способов  ввода  и  съема  ОС,  ее  влияние  на  сквозной  коэффициент  усиления  одинаков.  Приведем  упрощенный  вывод  этой зависимости в предположении  : Z и  = 0 ,  Z вх  = ¥ (фактически это означает  Rи  <<  R вх )  для  случая  последовательной  ОС  по  напряжению.  Кроме  того, 

будем  считать,  что  ОС  отрицательная  (ООС),  т.е.  ее  действие  приводит  к  уменьшению входного напряжения.  На рис. 3.6. приведена соответствующая  структурная схема с учетом полярности напряжений. 

Для усилителя без ОС согласно (2.1)  *  Kи  = 

U вых  U вых  = E и  U вх 

(при  Z и  = 0 ) 

(3.1) 

Для усилителя с ООС:  *  Ku  ос  = 

U вых  U вых  U вых  = = *  E u  U вх  + U ос  U вх ( 1 + bK u  ) 

(3.2) 

*  так как  U ос  =  bU вых  = bK u  U вх .  В итоге из (3.2) получим: 

К u* ос 

=

*  K и  *  1 + b K и 

=

*  K и 

1 + T * 

=

*  K и 

A * 

(3.3) 

где  A*  = 1  + T * ­  сквозная  глубина  ОС.  Следовательно  сквозной  коэффициент усиления при введении ООС уменьшается в сквозную глубину  ОС раз.  В случае положительной ОС  A*  = 1  - T *  *  K и  .  *  1 - bK и 

*  =  и  К u  ос 

(3.4)

Здесь напряжение  U ос  совпадает по фазе с ЭДС источника сигнала  и  увеличивает  напряжение  на  входе  усилителя  U вх ,  что  приводит  к  увеличению  сквозного  коэффициента  усиления  по  напряжению,  а  при  * b Kи  ³ 1  наступает  самовозбуждение.  По  этой  причине  положительная  ОС  практически  не  применяется  в  усилительных  устройствах,  находя  применение а автогенераторах.  В  общем  случае,  учитывая,  что  все  цепи  содержат  реактивные  &*  K  и  и самовозбуждение  &*  1 - b&K  и 

элементы, соотношение (3.4) комплексно  К&u * ос  = 

объясняется  критерием  Найквиста.  Заметим,  что  в  реальных  схемах  при  действительном  и  положительном  коэффициенте  передачи  цепи  ОС b  для  обеспечения  отрицательной  ОС  напряжение  на  выходе  усилителя  должно  быть  противофазно  ЭДС  источника  сигнала.  Поэтому  выражение  (3.3)  правильнее было бы записать в виде:  K и* ос 

= -

*  K и 

A * 

. 

Учет  сопротивления  источника  R u  позволяет  оценить  влияние  ОС  на  K u .  Для  рассмотренного  вида  ОС  характер  зависимости  коэффициента  усиления  по  напряжению  K u  такой  же,  т.е.  для  ООС  по  напряжению  последовательной  по  входу  K и ос  =

K и  K  = и  ,  где  A = 1 + bK и ­  глубина  1 + bK    и  A 

ОС.  Однако,  учитывая,  что  Kи *  = aK    и  =

R вх  aK и  *  K и  и К u  ,  ос  =  R и  + R вх  1 + bK и 

численно зависимость  K и  ос  и  K и * ос  от ОС разная и зависит от  соотношения 

R u 

и 

R вх .Очевидно,  последовательную  по  входу  ООС  вводить 

нецелесообразно  при  Ru  >>  R вх ,  так  как  при  a  ® 0  A* = 1 + abK » 1 и  влияние ОС незначительно.  3.4. Влияние ООС на нестабильность к оэффициента усиления  Нестабильность сквозного коэффициента усиления усилителя без ОС  q = 

* dK u  *  K u 

, 

(3.5)

q ос  = 

а с ОС 

*  dK u  ос  *  K u  ос 

,  (3.6) 

где для ООС в соответствии с (3.3)  *  dKи  ос 

(

*  Ku  ос 

*  K u 

=  . Тогда *  1 + bK и 

)

*  ö *  *  *  *  æ K и  1 + bK и  dK и  - K и bdK и  dK и  ç ÷ = d  = = ç 1 + bK *  ÷ *  2  *  2  и  1 + bK и  1 + bK и  è ø

(

)

(

) 

(3.7) 

Подставляя (3.7) в(3.6) и учитывая (3.5), получим  q ос =

q  q  = *  .  1 + b K и  A 

Следовательно,  ООС  уменьшает  нестабильность  коэффициента усиления в сквозную глубину ОС раз.  * >>  1  и  из (3.8) При очень глубокой ОС  b K и  * K и  ос 

*  K и 

1  =  » ,  *  1 + bK    и  b

(3.8)  сквозного 

(3.9) 

то  есть  практически  не  зависит  от  нестабильности  коэффициента  усиления  K u .  3.5.Влияние ООС на собственны е помехи усилителя, нелинейны е  искажения и динамическ ий диапазон  Собственные  помехи  возникают  непосредственно  в  усилителе  и  уже  не  подвержены  влиянию  ОС.  С  другой  стороны,  при  введении  ООС  на  вход усилителя по цепи ОС поступает дополнительное напряжение помехи в  противофазе,  что  приводит  к  уменьшению  результирующего  напряжения 

помехи на выходе усили­  Рис. 3.7  теля.  Так  как  сквозной  коэффициент  усиления    при  введении  ООС  уменьшается в сквозную глубину ОС раз, то можно показать, что для любого

вида  ОС  во  столько  же  раз  уменьшаются  шумы  на  выходе.  Отметим,  что  коэффициент шума (2.10) при этом практически неизменен.  Уровень  гармонических  составляющих  выходного  сигнала  также  уменьшается  в  A *  раз  при  введении  ООС:  U 2  ос  = 

U 2  ос  U 3 ос  ;  U 3 ос  = и  A *  A * 

т.д.  Очевидно,  что  при  этом  уменьшается  и  уровень  основной  гармоники.  Однако,  оценка  коэффициента  гармоник  производится  при  сохранении  номинальной  мощности  полезного  сигнала  на  выходе  усилителя,  а  следовательно  должно  выполняться  условие:  U 1 = U 1 ос .  Это  нетрудно  обеспечить,  вводя  дополнительные  каскады  предварительного  усиления,  не  вносящие нелинейных искажений. Следовательно, охватывая ООС каскады с  высоким  уровнем  сигнала  (ОКУ,  ПОКУ),  можно  снизить  коэффициент  гармоник усилителя (см. 2.6, 2.7) в сквозную глубину ОС раз  K г ос  = 

K г  A * 

. 

Учитывая  все  вышеизложенное,  покажем,  как  изменится  динамический диапазон (2.8) усилителя с введением ООС.  На рис. 3.7 приведены амплитудные  характеристики  усилителя без  ОС (кривая 1) и с ООС (кривая 2), отражающие снижение как уровня шумов  на выходе усилителя, так и коэффициента усиления по напряжению. Рабочие  участки характеристик отмечены соответственно точками 1­1 и 2­2.  Очевидно,  введение  ООС  увеличивает  динамический  диапазон  (примерно в  A * раз).  3.6. Влияние ООС на линейны е иск ажения  Обратная  связь,  изменяя  K * u ,  оказывает  влияние  на  амплитудно­  частотные,  фазочастотные  и  переходные    искажения.  Рассмотрим  это  влияние  на  примере  амплитудно  –  частотных  искажений  при  введении  частотно­независимой  ООС.  Согласно  (2.4),  коэффициенты    частотных  искажений  в  случаях  отсутствия  и  наличия  ООС    определяются  соответственно:  M  = 

*  K и  ср  *  K и 

;

M ос  =

*  K и  ср ос  *  K и  ос 

. 

Используя зависимость (3.3), K * и ср  *  *  *  ( 1 + b )  M + bK *  K и  ( 1 + bK и  )  и ср  ср  /( 1 + b K и ср )  M  M ос  =  = М  = М  = .  *  *  *  *  *  1 + bK и ср  K и  /( 1 + bK и )  ( 1 + bK и ср )  ( 1 + bK  и ср ) 

Добавляя и вычитая в числителе 1, получим:  M  - 1  M ос  =  + 1  * 1 + b K и  ср 

или  M ос  - 1 =

M  - 1  *  1 + bK и  ср 

. 

Следовательно,  уменьшение  частотных  искажений  пропорционально  сквозной  глубине  ОС  в  области  средних  частот.  Вывод  справедлив для  любого способа ввода и снятия ОС. Физически  уменьшение  частотных  искажений  объясняется  следующим  образом.  На  частотах,  где  коэффициент  усиления  усилителя  без  ОС  уменьшается  (рис.2.1),  уменьшается  и  глубина  ОС  A*  = 1 + bK и *  по  сравнению  с  глубиной  ОС  на  *  *  средних  частотах  Aср  = 1 + bK и  ср .  В  результате  АЧХ  становится  более  равномерной,  т.е.  частотные  искажения  уменьшаются.  Аналогично  уменьшаются фазовые и переходные искажения.  При частотнозависимой ООС АЧХ усилителя изменяется по закону,  обратному закону изменения коэффициента передачи цепи ООС  b (w ) . 

3.7. Влияние ОС на входное и вы ходное сопротивления усилителя  Рассмотрим  влияние  на  входное  сопротивление  усилителя  Z&  вх  различных видов ОС.  Структурная  схема,  соответствующая  последовательной  ООС  по  напряжению приведена на рис. 3.8. 

Рис. 3.8. 

& I & вх 

U  В  усилителе  без  ОС  Z&вх  =  вх  .  При  введении  последовательной  & U 

& ОС  Z&  вх  ос  нагружает источник сигнала на клеммах 4­4:  Z вх  ос  =  & .  При  I  вх  последовательной ООС  & & + U  & = U  & ( 1 + U ос  ) = U  & ( 1 + bK  ).  U& = U  вх  ос  вх  вх  и  & U  вх 

Следовательно,

&вх  U  & ( 1 + bK  ).  Z&  = ( 1 + bK и ) = Z  вх ос  вх  и  I &вх 

(3.10) 

Учитывая,  что  Z&  вх  имеет  обычно  активную  и  емкостную  составляющие, т.е.  y&  вх  =

1  = g вх  + j wC вх ,  из выражения (3.10) следует:  &вх  Z 

1.  Последовательная  ООС  по  напряжению  увеличивает  активную  составляющую  входного  сопротивления  в  глубину  ОС  A = 1 + bK и раз и во столько же уменьшает входную емкость:  Rвх ос  =  R вх  × ( 1 + bK и ),  C вх ос  = C вх  /( 1 + bK и ).  2.  Z вх ос  не зависит от соотношения  R и  и  R вх , но зависит от  R н  ( см. ниже:  K и  зависит от  R н );  3.  Z вх ос  нестабильно, так как зависит от нестабильности  K и ;  & 4.  При положительной ОС  Z&  вх ос  = Z вх ( 1 - bK и ). 

входное  сопротивление  Z вх ос  отрицательно,  что  означает, что усилитель становится источником энергии – генератором.  Общая  структурная  схема  усилителя,  охваченного  параллельной  ООС по напряжению показана на рис 3.9.  При  b Kи  > 1

Рис. 3.9.  Эту схему удобно представить в виде рис. 3.10.

Рис. 3.10.  Входная проводимость без ОС и с параллельной ООС согласно рис.  3.10 определяется соответственно выражениями: y вх  = 

I &  вх  ;  & U вх 

y вх  ос  =

I &U  I & I & + I &вх  I & = U  = св  = y&вх  +  св  .  & U  & & & U  U  U  вх  вх  вх 

Помножив и разделив второе слагаемое на  U&  св , получим: 

y&вх  ос 

&св  &св  I &св U  U  &вх  + &вх  + y  &св  =  y  = y  ,  & U  & & U  U  св  вх  вх  & & & U св  =  U вх  + U вых  (см. рис. 3.10). 

где  Следовательно, 

&вх  + y  &св  y&  вх  ос  = y 

&вх  + U  &вых  U  &вх  + y  &св  ( 1 + K и  )  = y  & U вх 

(3.11)  &  Физически  увеличение  влияния  y&  св по  сравнению  с  y вх на  суммарную входную проводимость при параллельной ООС можно объяснить  тем,  что  проводимость  y&  св  находится  под  напряжением  в  (1+ K и )  раз  большим, чем  y&  вх .  Из выражения (3.11), учитывая, что  y&  вх  = g вх  + j wC вх ,  следует:  1. Если  y св  =  g св  =

1 , то  R св 

y&  вх ос  = g вх  + j wC  + g св ( 1 + K и ) , 

т.е.  g вх ос  =  g вх  + g св ( 1 + K и );  C вх ос  = С вх .  Следовательно,  параллельная  ОС,  действующая  через  активное  сопротивление  R св ,  уменьшает  только  активную  составляющую  входного  сопротивления.  С вх  не меняется.  2. Если  yсв  =  j wC св ,то  y&  вх  ос  = g вх  + j w C вх  + j w C св  ( 1 + K и  )  = = g вх  + j w [ C вх  + C св  ( 1 + K и  )] 

, 

т.е.  С вх  ос  = С вх  + C св  ( 1 + K и  );  g вх  ос  = g вх . 

Заметим, что такая связь действует как внутренняя во всех УЭ через  проходные емкости.  2.  y вх ос нестабильна,  так  как  зависит  от  нестабильного  коэффициента  усиления  по  напряжению.  По  этой  же  причине  y вх ос не  зависит от сопротивления источника  R И  , но зависит от  R н .  3. При положительной ОС по току  yвх ос  =  y вх  + y св ( 1 - K и ) .  То  есть  положительная  ОС  уменьшает  входную  проводимость  и  может сделать ее отрицательной.  Вывод  соотношений  для  последовательной  и  параллельной  ОС  показывает,  что  характер  изменения  входного  сопротивления  определяется  способом введения ОС и не зависит от способа ее снятия.  Для определения выходного сопротивления для усилителя без ОС и  с ОС используются соотношения: 

& & U  U  вых  хх  вых  хх  ос  & & Z вых =  ;  Z вых ос  = I &вых кз  I &вых кз  ос 

(3.12) 

Покажем  методику  определения  зависимости  между  этими  параметрами  на  примере  ООС  по  напряжению.  В  этом  случае  при  обрыве  нагрузки (хх) ОС сохраняется, следовательно &  U  вых  хх ос  =

*  E И K и 

(1 + bK  ) 

*  и  хх 

. 

(3.13) 

При  коротком  замыкании  (кз)  нагрузки  ОС  пропадает,  усилитель  работает с номинальным коэффициентом усиления  K и *  и, следовательно,  * E И K и  & I &  = I  = .  вых  хх ос  вых кз  Z вых 

(3.14) 

Подставляя (3.13) и (3.14) в (3.12), получим: &  Z  вых ос  =

&вых  Z 

(1 + bK  ) 

*  и  хх 

. 

(3.15) 

Вывод  соотношений  для  последовательной  и  параллельной  ОС  показывает,  что  характер  изменения  входного  сопротивления  определяется  способом введения ОС и не засвистит от способа ее снятия.  Из  (3.15)  видно,  что  при  ООС  по  напряжению  активная  составляющая  выходного  сопротивления  уменьшается,  а  выходная  емкость  увеличивается в сквозную глубину ОС раз при холостом ходе:  Rвых ос  =  R вых  /( 1 + bK и  хх ),  C вх ос  = C вх  /( 1 + bK и  хх ).  Отметим, что в отличие от входных, эти показатели зависят от  R и .  Аналогично можно показать, что при ООС по току  *  &вых ос A кз  Z&вых ос  =  Z  .  (3.16)

Следовательно,  введение  ООС  по  напряжению  снижает,  а  по  току  увеличивает  выходное  сопротивление.  Очевидно,  что  характер  изменения  выходного  сопротивления  определяется  только  способом  снятия  ОС  и  не  зависит от способа ее введения.  Вопросы  для самопроверк и  1.  Как определить вид ОС по структурной или принципиальной схеме  усилителя?  2.  Какой вид ООС приводит к увеличению входного сопротивления, какой к  его уменьшению?  3.  Как ООС влияет на частотные искажения усилителя и почему?  4.  Как ООС влияет на нелинейные искажения усилителя и почему?  5.  Как ОС влияет на сквозной коэффициент усиления по напряжению и его  стабильность?  6.  Что такое ОС и какие виды ОС Вы знаете?  7.  Изобразите структурную схему усилителя, охваченного последовательной  ООС по напряжению.  8.  Изобразите структурную схему усилителя, охваченного параллельной  ООС по напряжению.  9.  Изобразите структурную схему усилителя, охваченного последовательной  ООС по току.  10.Изобразите структурную схему усилителя, охваченного параллельной  ООС по току.