Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Основные теоретические положения

В тех случаях, когда коэффициент усиления одной усилительной ячейки оказывается недостаточным, усилитель собирается из нескольких последовательно или параллельно включенных ячеек (каскадов).

Структурная схема многокаскадного усилителя приведена на рис. 9.1. Связь между усилительными ячейками многокаскадного различными способами. При этом различают непосредственную (гальваническую), реостатно-емкостную и трансформаторную связь.

Усилители с реостатно-емкостной связью имеют конденсатор связи С_с и резистор R_c, включенный параллельно входу следующего усилительного каскада.

Рис. 9.1

При трансформаторной связи выход предыдущего усилительного каскада связан с входом последующего каскада с помощью трансформатора. При непосредственном виде связи вход последующего усилительного каскада соединяется с выходом предыдущего усилительного каскада с помощью резисторов.

Основным видом связи в усилителях электронных устройств является реостатно-емкостная связь ввиду простоты, малых габаритов и небольшой массы Реостатно-емкостная связь находит применение и в электронных генераторах.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя может быть принят равным произведению коэффициентов усиления всех каскадов: K_Σ = K₁ K₂... K_n,

где К1, K₂,..., К_п - коэффициенты усиления соответственно первого, второго и т. д. усилительных каскадов. Основной характеристикой многокаскадных усилителей является амплитудно-частотная характеристика, которая имеет такой же вид, как и для однокаскадных усилителей (см. рис. 8.11). Для получения широкополосной частотной характеристики в схему усилителя вводятся цепи коррекции по низкой и высокой частотам, а также цепи обратной связи. При этом под обратной связью понимается воздействие электрических колебаний на выходе усилителя на режим его входной цепи, достигаемый путем подачи

Рис. 9.2 части энергии с выхода усилителя (или каскада) на его вход с помощью так называемой цепи обратной связи (рис. 9.2).

Различают обратную связь по напряжению и току. При наличии обратной связи по напряжению напряжение обратной связи U_OC подается на вход усилителя через цепь обратной связи с выхода усилителя. Аналогичным образом осуществляется и обратная связь по току. При необходимости может применяться и комбинированная система обратной связи. В том случае, когда в результате действия обратной связи выходное напряжение или ток уменьшается, обратная связь является отрицательной; в противном случае она положительная. Комплексный коэффициент усиления К_OCусилителя при наличии обратной связи в общем случае может быть найден как отношение комплексного выходного напряжения U _B_ых к комплексному входному U _BX напряжению: K _OC = U _вых/ U _вх. Выражение для выходного напряжения при наличии положительной обратной связи (сплошная стрелка напряжения обратной связи (U_OC) может быть получено из схемы рис. 9.2:

;

где К - комплексный коэффициент усиления усилителя без обратной связи; U₁, U₂, - входное U_ВХ и входное U_ВЫХ напряжения; β_OC = U_OC/U_вых - комплексный коэффициент передачи цепи обратной связи, определяемый как отношение комплексного напряжения на выходе цепи обратной связи к комплексному напряжению на ее входе. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью

K _OC = = .

Представив комплексный коэффициент усиления усилителя без обратной связи и комплексный коэффициент передачи цепи обратной связи в показательной форме, имеем: K _OC = K , β _OC = β , где ψ_k и ψ_β - углы сдвига фаз напряжения сигнала соответственно при прохождении через усилитель и цепь обратной связи. С учетом этого комплексный коэффициент усиления усилителя с обратной связью K _OC = .

При наличии отрицательной обратной связи (пунктирная стрелка напряжения обратной связи, рис. 9.2) в выражении для комплекса напряжений вместо знака минус появится знак плюс: U _вых(1+ K β_OC) = KU _вх, т. е. при ψ_k + ψ_β = π в выражении для K_OC(при угле сдвига по фазе, равном 180°) обратная связь будет отрицательной и произведение K β_OC = - K β_OC, представляющее собой вещественное значение, будет отрицательным. Переходя от комплексного выражения для коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью к его модулю, имеем Кос = К/(1+ β_OC К).

Из этой формулы следует, что при введении в усилитель отрицательной обратной связи коэффициент усиления усилителя уменьшается в (1+ β_OC К) раз.

Если ψ_k + ψ_β = 0, то обратная связь становится положительной. При этом произведение K β_OC = K β_OC представляет собой вещественное положительное значение, а модуль коэффициента усиления Кос = К/(1- β_OC К).

В усилителях широко используется отрицательная обратная связь, которая является эффективным средством повышения качества их работы. При этом можно получить более стабильный коэффициент усиления и расширить полосу пропускания усилителя при уменьшении нелинейных искажений и ослаблении действия помех. При наличии отрицательной обратной связи происходит увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений усилителя, что в ряде случаев имеет большое практическое значение.

Если коэффициент усиления усилителя без обратной связи по каким-либо причинам изменяется в а раз, то с введением отрицательной обратной связи при действии тех же причин К_OCизменится лишь в α/(1+ β_OC К) раз. Это означает, что при введении отрицательной обратной связи происходит повышение стабильности коэффициента усиления, а, следовательно, расширение полосы пропускания частотной характеристики усилителя при одновременном уменьшении коэффициента усиления.

В связи с этим для сохранения необходимого значения выходного напряжения при введении отрицательной обратной связи необходимо увеличивать значение входного сигнала или количество усилительных каскадов усилителя.

При введении положительной обратной связи коэффициент усиления Кусилителя увеличивается, что при некоторых условиях может привести к явлению самовозбуждения с последующим переходом работы усилителя в генераторный режим. Поэтому положительная обратная связь применяется главным образом для генераторов. Ранее было указано, что вследствие неравномерного усиления усилителем сигналов различных частот возникают частотные искажения. Кроме частотных искажений в усилителе имеют место амплитудные нелинейные искажения. Величина этих искажений зависит от амплитуды входного сигнала.

Зависимость, связывающая амплитуду сигналов на выходе усилителя с амплитудой сигналов на его входе при постоянной частоте сигналов, т. е U_ВЫХ_m(U_BXm), называют амплитудной характеристикой усилителя (рис. 9.3). При введении обратной связи динамический диапазон работы усилителя D_ocувеличивается. Нелинейность амплитудной характеристики обусловлена наличием в схеме нелинейных элементов: электронных ламп, транзисторов, трансформаторов, дросселей и др.

Наряду с частотными и амплитудными искажениями в усилителе существуют еще так называемые фазовые искажения, возникающие вследствие фазовых сдвигов, вносимых усилителем для составляющих частот входного сложного сигнала. Это происходит потому, что при усилении несинусоидальных сигналов начальные фазы отдельных его гармонических составляющих изменяются из-за влияния реактивных элементов усилителя. В результате этого форма напряжения на выходе усилителя в той или иной мере может отличаться от формы напряжения на его входе. Фазовые искажения отсутствуют в том случае, когда начальные фазы отдельных гармонических составляющих напряжения в процессе усиления не изменяются и угол сдвига фаз пропорционален частоте усиливаемого сигнала. Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазовой характеристике (рис. 9.4), представляющей собой зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Наиболее благоприятные условия работы усилителя возникают, когда частота не оказывает влияния на фазу усиливаемого сигнала.

Рис. 9.3 Рис.9.4

Процессы и явления, происходящие в различных физических системах (электрических, механических, гидравлических и т. д.), несмотря на различную их физическую природу, могут быть описаны сходными математическими (линейными и нелинейными) уравнениями, в частнбсти дифференциальными, решать которые удобно, используя электронные моделирующие устройства (аналоговые электронные вычислительные машины). Большинство предназначенных для этой цели электронных устройств построены на базе операционных усилителей¹.[¹Термин «операционный усилитель» первоначально означал конкретный тип усилителя, применяемого в аналоговых вычислительных машинах для выполнения чисто математических операций, таких, как суммирование, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.]

Широкие возможности операционных усилителей обусловили их применение в качестве унифицированного узла практически всех современных электронных устройств. Операционные усилители используются в составе нормирующих преобразователей, стабилизаторов напряжений, активных фильтров, генераторов функций, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и т. д.

Операционный усилитель - это усилитель с непосредственной связью, обладающий большим коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением, имеющий малый дрейф нуля и малый собственный шум.

Существует много различных типовых схем операционных усилителей, выполненных на ламповых и полупроводниковых приборах. Эти схемы отличаются друг от друга значениями коэффициента усиления К, схемой компенсации дрейфа нуля и схемой выходного каскада усилителя, обеспечивающей необходимую выходную мощность.

В современных электронных вычислительных машинах и цифровых измерительных приборах функциональные узлы, преобразующие аналоговые сигналы, выполняются преимущественно с использованием операционных усилителей, представляющих собой дифференциальные усилители с отрицательной обратной связью по току или напряжению.

Принцип действия операционного усилителя может быть проиллюстрирован на упрощенной электрической схеме интегральной микросхемы К1УТ401 (А, Б), используемой в качестве усилителя постоянного и переменного токов (рис. 9.5). Эта схема трехкаскадного усилителя, первый каскад которого выполнен на транзисторах T₁ и T₂, и является симметричным дифференциальным балансным усилителем, в эмиттерную цепь которого включён стабилизатор тока

Рис.9.6 Рис.9.7 Рис.9.8

на транзисторе Т₃. Напряжения входных сигналов (или одного из них) подаются на базы транзисторов Т₁и Т₂ и общую точку 0 с нулевым потенциалом. Выходное напряжение каскада снимается между коллекторами транзисторов Т₁и Т₂и подается на соответствующие входы второго каскада. Напряжение питания усилителя осуществляется от двух источников ЭДС - (+ Е_п1 и - Е_П2), включенных последовательно, общая точка которых соединена с общей точкой усилителя. При подаче на первый вход положительного напряжения U_bxi (при U_bx₂= 0) ток базы транзистора Т₁увеличивается, одновременно с этим уменьшается на такую же величину ток базы транзистора Т₂, что вызывает равные по величине, но обратные по знаку изменения коллекторных токов транзисторов Т₁и Т₂,а следовательно, результирующий ток транзистора Т₃ остается неизменным. Выходное напряжение определяется при этом разностью коллекторных потенциалов транзисторов U_ВЫХ= U_K2- U_K₁. Аналогично, при подаче на второй вход усилителя такого же положительного напряжения U_bx₂ и U_bx₁ = 0 выходное напряжение будет таким же по значению, но обратной полярности. Поэтому вход 1, входное напряжение которого совпадает по фазе с выходным, называют неинвертирующим и обозначают на структурной схеме знаком «+», а вход 2, входное напряжение которого находится в противофазе с выходным, - инвертирующим - «-» При одновременной подаче одинаковых по значению и знаку входных напряжений на оба входа усилителя выходное напряжение оказывается равным нулю. Таким образом, выходное напряжение каскада пропорционально разности входных напряжений. Второй каскад усилителя выполнен по несимметричной балансной схеме на транзисторах Т₄и Т₅. Выходное напряжение с него снимается со средней точки делителя напряжений R₉, R₁₀и общей точки усилителя. Сопротивления резисторов делителя подобраны таким образом, чтобы при отсутствии входных сигналов выходное напряжение каскада было равным нулю.

Третий каскад, выполненный на транзисторе Т₆, является эмиттерным повторителем, обладающим высокой стабильностью, большим входным и малым выходным сопротивлениями, и является согласующим звеном между делителем и нагрузкой. Структурная схема операционного усилителя с двумя входами и одним выходом представлена на рис. 9.6. Здесь вход 1 - неинвертирующий, входное напряжение U₁вход 2 — инвертирующий, входное напряжение U₂. Выходное напряжение U_вых= U₃. Разность потенциалов между входами 2и 1:U₂₁ = U₂- U₁усиливается усилителем в Араз и одновременно инвертируется.

Таким образом, выходное напряжение усилителя: U₃ = - AU₂₁, где U₂₁-напряжение между инвертируемым и неинвертируемым входами; А - коэффициент усиления усилителя.

Напряжение U₃ на выходе усилителя можно рассматривать как сумму инвертируемого и усиленного в А раз входного напряжения U₂и неинвертируемого и усиленного в А раз входного напряжения U₁, т. е. U₃ = - AU₂+ AU₁. Полученные уравнения для u₃ эквивалентны, так как U₂₁ = U₂ - U₁.

Идеальным операционным усилителем принято считать усилитель, у которого коэффициент усиления А и входное сопротивление бесконечно большие, а выходное сопротивление равно нулю при наличии бесконечно широкой полосы пропускания. Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления медленно изменяющегося тока A = 10⁴- 10⁸, входное сопротивление 10⁵- 10¹³ Ом и ширину полосы пропускания от нуля до единиц мегагерц. Для повышения стабильности работы операционного усилителя вводят как внешние, так и внутренние обратные связи. Стабилизируется усилитель обычно с помощью внешней обратной связи, подаваемой на его инвертирующий вход 2. От способа осуществления обратной связи зависят рабочие характеристики усилителя. Работа усилителя при наличии различных видов обратной связи по току изложена далее.

Токовый повторитель. Схема усилителя представлена на рис. 9.7. Обратная связь по току осуществляется здесь с помощью резистора R₀, по цепи которого на вход усилителя передается ток обратной связи I₀. Входной ток в соответствии с первым законом Кирхгофа для узла а и условием идеальности (I₂₁= 0), I₂= - I₀. Связь между входным током I₂и выходным напряжением U₃ можно получить из закона Ома для рассматриваемой схемы: (U₃- U₂_l)/R₀= I₀.

Представляя U₂₁через коэффициент усиления, получим U₃(1 + 1/A) = - I₂R₀, так как A»1, выходное напряжение, записанное через входной ток, U₃= - I₂R₀. Потенциал точки а относительно нулевой шины, а следовательно относительно входа 1, равен U₂₁ = - U₃Aи для обычного операционного усилителя составляет всего ± 15*10 ^{- 5} В или ± 150 мкВ. Поэтому потенциал этой точки принято считать равным нулю, а точку - заземленной.

Указанная особенность схемы имеет большое значение, так как она дает возможность преобразовывать ток в эквивалентное напряжение, причем источник тока при этом остается практически под потенциалом земли. Эта возможность используется в схеме потенциостата.

Таким образом, выходное напряжение в данном случае пропорционально входному току, а коэффициент пропорциональности определяется сопротивлением резистора обратной связи R₀. Рассмотренное устройство называется токовым повторителем (конвертером тока в напряжение).

Счетчик-преобразователь. На базе схемы усилителя (см. рис. 9.7) можно получить схему счетчика (рис. 9.8), на выходе которого действует преобразованное входное напряжение (умноженное на заданный коэффициент усиления). Представив входной ток I₂ в выражении для U₃ через напряжение U₂и сопротивление R₂,получаем U₃ = - .При R₀= R₂схема рис. 9.8 выполняет функцию преобразователя напряжения по знаку (инвертора).

Сумматор. На рис. 9.9 приведена схема операционного усилителя, выполняющего функцию суммирования измененных по величине входных напряжений. В этой схеме разные напряжения U₂и U'₂создают на инвертируемом входе 2 входные токи I₂и I'₂. Для точки а имеем I₂+ I'₂= I₀. Выражая токи через соответствующие напряжения и сопротивления, получим

U₃/R₀ = - ( + )или U₃ = - [ + ].

Следовательно, выходное напряжение U₃ представляет сумму независимо измененных по величине входных напряжений U₂ и U'₂. При одинаковых по величине коэффициентах изменения, равных единице, получим простой инвертирующий сумматор. При этом напряжение U₃ = - (U₂ + U'₂).

Интегратор тока. При наличии в цепи внешней обратной связи конденсатора Свместо резистора R₀(рис. 9.10) напряжение на выходе усилителя оказывается пропорциональным интегралу входного тока.

Так как потенциал точки а фактически равен потенциалу земли, то ток в цепи обратной связи I₀= C = - I₂ или U₃ = . Таким образом, напряжение на выходе усилителя будет пропорционально интегралу входного тока или заряду, накопленному на конденсаторе Сза заданный промежуток времени¹

[¹ Для проведения нового измерения конденсатор необходимо разрядить, для этого параллельно ему подсоединяют выключатель В. ]

Интегратор напряжения. Входное напряжение можно интегрировать с помощью устройства, схема которого приведена на рис. 9.11.

Если в уравнении для U₃ представить ток I₂через входное напряжение и сопротивление резистора R₂, получаем U₃ = - , т. е. напряжение на выходе усилителя оказывается пропорционально интегралу входного напряжения. Рассматриваемый интегратор напряжения можно использовать как генератор пилообразного напряжения с регулируемой скоростью нарастания напряжения и изменяемой полярностью, так как при U₂ = const выражение для U₂преобразуется к виду U₃ = .

Рис. 9.9 Рис. 9.10 Рис. 9.11

Рис. 9.12 Рис. 9.13

Рис. 9.14 Рис. 9.15

Дифференциатор. Усилитель, выполненный по схеме рис. 9.12, имеет на выходе напряжение, пропорциональное производной входного напряжения. В рассматриваемой схеме токи I₂ и I₀ можно выразить через напряжения U₂и U₃следующим образом: - C₂ = , поэтому U₃ = - R₀C₂ .

Следовательно, выходное напряжение равно измененной в R₀C₂раз производной по времени входного напряжения. Наряду с широким использованием в операционных усилителях обратных связей по току значительное применение в них получили и обратные связи по напряжению. Отрицательная обратная связь по напряжению, как известно, стабилизирует работу усилителя, повышает его входное сопротивление, а, следовательно, усилители с обратными связями по напряжению целесообразно использовать для регулирования и измерения напряжения. В то же время схемы операционных усилителей с обратной связью по току больше подходят для устройств, предназначенных для обработки сигнала. Далее приведены схемы операционных усилителей с обратными связями по напряжению.

Повторитель напряжения. На рис. 9.13 представлена схема операционного усилителя, в которой выходное напряжение полностью передается на инвертирующий его вход. Учитывая, что связь напряжений на входе и выходе усилителя может быть выражена уравнением U₃= - AU₂₁, и принимая во внимание, что для рассматриваемой схемы U₂₁= U₃- U₁, получаем U₃= A(U₃- U₁)или U₃ = . Так как коэффициент усиления усилителя Авесьма большой, выходное напряжение в этом случае равно входному, т. е. U₃ = U₁. Схема рис. 9.13 является схемой повторителя напряжения, в которой выходное напряжение равно входному. Повторитель напряжения можно использовать как согласующее звено между источником напряжения, имеющим очень большое внутреннее сопротивление, и измерителем. Схема позволяет измерять напряжение без заметных искажений его значения.

Регуляторы напряжения (потенциала) и тока. В схеме усилителя, приведенной на рис. 9.14, цепь обратной связи по напряжению включает источник входного напряжения u2, который для простоты изображен в виде источника ЭДС е₂.

Входное напряжение обусловливает напряжение U_A и потенциал точки Аотносительно земли определенного значения и знака U_A = - U₂, т.е. инвертирующий вход 2усилителя фактически имеет потенциал земли. При изменениях сопротивлений резисторов R₃и R'₃ на выходе усилителя выходное напряжение U₃ будет автоматически воздействовать на ток I₃ так, чтобы сохранилось равенство

U_A= - U₂. Действительно, на основании закона Ома I₃ = U₁/R'₃ - U₂/R'₃,a выходное напряжение U₃ = I₃(R₃+ R'₃) = U₂(R₃+R'₃)/R'₃. Из последнего выражения следует, что при постоянном напряжении на входе электрической цепи (U₂ = const) и переменной нагрузке на выходе усилителя (R₃ = vаг и R'₃= vаг) выходное напряжение изменяется так, что произведение I₃R'₃ остается неизменным, так как из последнего выражения следует, что U₂ = - U_A= - U₃R₃/(R₃ + R'₃) = - I₃R₃ = const.

Следовательно, схема рис. 9.14 может быть использована в качестве регулятора напряжения и потенциала, а также для регулирования тока в цепи нагрузки, полное сопротивление которой Z_H является переменной величиной. Нагрузка включена на выход усилителя последовательно с резистором постоянного сопротивления R₃ (рис. 9.15). Напряжение на резисторе R₃, а следовательно, и потенциал точки Аесть постоянная величина, равная U_A = - U₂, поэтому ток I_н в цепи нагрузки, равный I₃ = U₂/R₃, не зависит от значения Z_H или его изменений. При этом отбора тока по цепи обратной связи по напряжению нет, так как ранее установленное условие равенства потенциалу земли входа 2сохраняется.

Задание по работе

1. Снять и построить амплитудно-частотную и амплитудную характеристики двухкаскадного усилителя на транзисторах с реостатно-емкостной связью между каскадами.

2. Снять и построить амплитудно-частотную и амплитудную характеристики двухкаскадного усилителя на транзисторах с реостатно-емкостной связью при наличии отрицательной обратной связи.

3. Составить краткие выводы по работе.

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒