Структура усилителя
§ Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
§ В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики
§ Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системамиавтоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
§ Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
§ Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.
Структурная схема усилителя электрических колебаний
Структурная схема усилителя электрических колебаний: 1 — источник сигнала; 2 — усилитель; 3 — нагрузка; 4 — источник питания; е1 — источник усиливаемых колебаний; R1, R2 — эквивалентные сопротивления источника усиливаемых колебаний и нагрузки; I1, P1, U1 — соответственно ток, мощность и напряжение на входе усилителя; I2, P2, U2 — ток, мощность и напряжение на выходе усилителя; P0 — мощность источника питания.
Принципиальные схемы усилителей
Принципиальные схемы усилителей на биполярных и полевых транзисторах: с общим эмиттером (а), общим истоком (б), общей базой (в) и общим затвором (г); Э, К, Б — эмиттер, коллектор и база биполярного транзистора; И, З, С — исток, затвор и сток полевого транзистора; еr — источник усиливаемых колебаний; Rг, Rн — эквивалентные сопротивления входной цепи и нагрузки; Ебэ, Екэ, Ези, Еси — источники постоянного тока соответственно в цепях база — эмиттер, коллектор — эмиттер, затвор — исток, сток — исток. Название типа усилителя определяется тем, какая область (электрод) транзистора является общей для цепи источника усиливаемого сигнала и цепи нагрузки.
4. Линейный и нелинейный, стационарный и переходной режим работы усилителя.
Режим класса А
Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной. Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток, а следовательно и коллекторный ток нигде не снижаются до нуля (рис. 3.31). Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки равен. Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.
Режим класса В
Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики (рис. 3.32). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток здесь значительно меньше. Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.
Для того чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода - второй транзистор в этом же режиме.
Режим класса В обычно используют преимущественно в мощных двухтактных усилителях, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим класса AB.
Режим класса AB
Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала.
Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов (рис. 3.34).
При отсутствии входного сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, составляющий от максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в этом случае составляет.
При работе двухтактных усилительных каскадов в режиме класса АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации нелинейных искажений, возникающих за счет нелинейности начальных участков вольт-амперных характеристик транзистора. Схема двухтактного усилительного каскада, работающего в классе AB, приведена на рис.
Коллекторные токи покоя и задаются напряжением смещения, подаваемым на базы транзисторов с сопротивлений и, и составляют незначительную часть максимального тока в нагрузке. вследствие этого результирующая характеристика управления двухтактной схемы класса AB принимает линейный вид (штрихпунктирная линия на рис. 3.36).
КПД каскадов при таком классе усиления выше, чем для класса А, но меньше, чем в классе В, за счет наличия малого коллекторного тока.
Режим класса С
В режиме класса С рабочая точка А располагается выше начальной точки характеристики передачи по току (рис. 3.37).
Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, которое меньше половины периода входного сигнала, поэтому угол отсечки. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт (коллекторный ток равен нулю), мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскада приближается к 100 %.
Из-за больших нелинейных искажений режим класса С не используется в усилителях звуковой частоты, этот режим нашел применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередатчиках).
Выводы:
КПД усилительного каскада определяется режимом работы транзистора и связан с углом отсечки.
Различают режимы работы транзистора с отсечкой выходного тока (AB, B, C, D) и без отсечки (A), когда выходной ток протекает в течение всего периода входного сигнала.
Усилительный каскад, работающий с отсечкой выходного тока, имеет наибольший КПД.
5. Входные и выходные параметры усилителя. Принципы электронного усиления аналоговых сигналов и построения усилителей.
6. Упрощенная принципиальная схема одиночного каскада усилителя. Три способа включения транзистора в схему усилителя каскада. Токопрохождение в схеме резисторного усилителя.
Упрощенная принципиальная схема одиночного каскада усилителя: 
Эквивалентен: h21б=Iк2\I*1
Входное сопротивление определяет входное сопротивление транзистора Т1 и не зависит от Rн~
Усилитель не дает выигрыша по коэффициентам усиления и вх. И вых. Сопротивления
Преимущество-слабая связь между входом и выходом
Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:
1 Каскад с общим эмиттером
2 каскад с общим коллектором
3 каскад с общей базой
Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка сотен Ом), высокое (порядка десятков КОм) сопртивление. Отличительная особенность - инвертирование (то есть - изменение фазы входного сигнала на 180 градусов). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК. Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения - входной ток протекает через переход "база-эмиттер" транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи - величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.
Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Входное сопротивление каскада с ОК зависит от сопротивления нагрузки (Rн) и больше его (приблизительно) в Н21e раз. (Величина "Н21e" - это статический коэффициент усиления данного экземпляра транзистора, включенного по схеме с Общим Эмиттером). Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала.
Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это - способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого - же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых "коаксиальных" несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом). Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+Н21э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+Н21э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала.
7. Виды межкаскадной связи в многокаскадных усилителях.
Из лекций
Трансформаторная межкаскадная связь
Соединение двух участков сигнальной цепи с помощью трансформатора называется трансформаторной межкаскадной связью. К достоинствам связи этого вида следует отнести то, что при ее применении выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимальную нагрузку для усилительного прибора и тем самым реализовать возможность получения предельных значений усиления или сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку. В связи с этим трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора используется в усилителях мощности, где требуется получение больших сигнальных мощностей и высоких значений КПД. Недостатки: неширокая полоса пропускания, большие габаритные размеры транзисторов, их масса и стоимость. Пример схемного построения с трансформаторной межкаскадной связью изображен на рисунке 5. Схема имеет типовое построение на постоянном токе, при этом токозадающий потенциал на базу выходного транзистора вводится через вторичную обмотку трансформатора. Часто в аналоговых трактах требуется создать два противофазных, но равных по уровню сигнальных источника (два парафазных сигнала). Схема, формирующая такие сигналы, называется фазоинвертором. В роли фазоинвертора может быть применен трансформатор, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки. В аудиотехнике трансформатор часто применяется на входе помехозащищенной аппаратуры для организации так называемого симметричного сигнального входа. Благодаря входному трансформатору с незаземленной первичной обмоткой оба подводящих сигнальных провода находятся в одинаковых условиях, в результате внешние помехи на зажимах этой обмотки создают одинаковые взаимно компенсирующие напряжения, не вызывая протекания дополнительных токов через трансформатор.
Непосредственная межкаскадная связь
В многокаскадном усилительном тракте сигналы с выхода предшествующего каскада поступают на вход последующего. Простейшей межкаскадной связью, с помощью которой осуществляется эта передача, является непосредственная связь, когда выходные клеммы предшествующего каскада непосредственно соединены с входом последующего, как на переменном, так и на постоянном токе. К схемам с непосредственными межкаскадными связями относится двухтранзисторный усилительный тракт ОЭ-ОБ (рисунок 1а), в котором выходной (коллекторный) вывод транзистора схемы ОЭ (на транзисторе VT1) непосредственно соединен с входом (эмиттерным) зажимом транзистора схемы ОБ (на транзисторе VT2). На рисунке 1б приведен вариант схемного построения ОЭ-ОБ, которое хотя и требует для своей работы двух источников питания, но упрощает схему питания базовых цепей транзисторов. Питание выходных цепей каскадов в схемам на рисунке 1 организовано по так называемой схеме последовательного питания каскадов. В этой схеме выходные цепи транзисторов образуют последовательную цепь, в результате в выходных цепях обеих транзисторов протекают практически одинаковые токи. К достоинствам непосредственных межкаскадных связей следует отнести простоту их реализации, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе за счет охвата усилительного тракта общей петлей ООС. Непосредственная межкаскадная связь широко используется в усилителях постоянного тока и в аналоговых микросхемах.
Гальваническая межкаскадная связь
Частным случаем непосредственной межкаскадной связи является так называемая гальваническая межкаскадная связь, которая в отличие от непосредственной предполагает включение в цепь межкаскадной связи потенциалопонижающей схемы называемой схемой сдвига уровня (ССУ). Обычно в качестве ССУ используют резистивные цепи, прямо смещенные диоды или стабилитроны. В отличие от непосредственной гальваническая межкаскадная связь обеспечивает отличие постоянного потенциала на входе последующего каскада от соответствующего потенциала предшествующего на определенную величину, называемую напряжением сдвига (Uсд). Работу схемы сдвига уровня стараются организовать таким образом, чтобы она не влияла на прохождение сигнала. Пример простейшей ССУ, обладающей этим свойством, приведен на рисунке 4. В ней в роли потенциалосдвигающего элемента использован стабилитрон VD1. Дифференциальное сопротивление стабилитрона пренебрежимо мало, в результате чего он практически не снижает уровень сигнала при его прохождении от транзистора VТ1 к транзистору VТ2.
Емкостная межкаскадная связь
Если усилительный тракт не является усилителем постоянного тока, то в нем может быть использована емкостная межкаскадная связь. При ней в роли элемента межкаскадной связи выступает разделительный конденсатор. Конденсатор разделяет каскады на постоянном токе, объединяя их по переменной (сигнальной) составляющей. В результате такого разделения обеспечивается взаимная независимость режимов работы каскадов на постоянном токе. Благодаря этому в многокаскадном тракте исключается влияние нестабильности и неопределенности режимов работы каскадов друг на друга. Часто в широкополосных трактах на разделительные емкостно-резистивные цепи возлагают решение задачи дополнительной фильтрации сигнала с целью уменьшения в нем доли нежелательных низкочастотных составляющих. При этом АЧХ тракта проектируют как ФВЧ со значением параметров разделительных цепей, обеспечивающих требуемое значение нижней границы полосы пропускания fн. К недостаткам емкостной межкаскадной связи относится то, что в усилителях сигналов относительно невысоких частот, в том числе и в усилителях звуковых сигналов, во избежание существенных частотных искажений в области низких частот требуется применять конденсаторы большой емкости. Это часто делает невозможным исполнение усилителя в виде малогабаритной конструкции или микросхемы. Применение емкостной межкаскадной связи не позволяет обеспечить повышения стабильности режимов работы тракта на постоянном токе за счет охвата тракта в целом соответствующей петлей ООС. Трактам с резистивно-емкостными цепями и блокировочными конденсаторами также присущ нежелательный эффект последействия (памяти). Этот эффект обусловлен процессами перезарядки конденсаторов при воздействии на них сигналов с изменяющимися по уровню текущими средними значениями. Например, таких сигналов, как последовательность кодовых комбинаций, организованных как совокупность однополярных импульсных сигналов. Среднее значение таких однополярных импульсных последовательностей претерпевает в ходе передачи данных существенные изменения. Результаты указанных процессов перезарядки накладываются на текущие сигнальные изменения, поэтому значения сигнала на выходе определяются не только текущими сигнальными значениями, но и характером сигнальных изменений в предшествующие моменты времени. Проявление эффекта последействия особенно нежелательно в усилительных трактах импульсных информационно-измерительных систем. В таких трактах из-за проявления указанного эффекта оказывается невозможной надежная регистрация и выделение малых сигнальных изменений после воздействия на усилительный тракт сигнала большого уровня. Нежелательный эффект последействия может усугубиться в результате проявления в тракте нелинейных эффектов, при которых постоянные времени перезарядки конденсаторов Ср и Сб оказываются различными на этапах возрастания и убывания текущих сигнальных изменений. Этот вид связи применяется в усилителях переменного сигнала. Недостатком этого вида связи является то, что в усилителях сигналов относительно невысоких частот, в том числе и в усилит. звуковых частот, во избежание существования низкочастотных искажений требуется использовать конденсаторы большой емкости. Емкостную межкаскадную связь часто организуют с целью обеспечения дополнительной фильтрации сигналов в низкочастотной спектральной области.
? 
? 
С сайтов
Основные виды межкаскадных связей - гальваническая, резисторная, емкостная, трансформаторная и дроссельная. Иногда используют комбинации этих связей. Прохождение постоянной составляющей сигнала обеспечивает только гальваническая связь, поэтому этот вид связи может быть применен и в усилителях постоянного тока. Связь между каскадами осуществляется или через резисторы, или непосредственно с помощью соединительных проводников (гальваническая межкаскадная связь).
Дополнительная информация
Межкаскадные связи служат для передачи сигнала от источника сигнала на вход первого усилителя, от выхода одного каскада на вход другого и от выходной цепи последнего усилителя на нагрузку, осуществляя функции разделительных элементов. При этом через них напряжения питания подаются на зажимы усилительных устройств.
8. Обратная связь (ОС) в аналоговых электрических устройствах. Виды ОС.
Одной из особенностей усилительных трактов является то, что они обладают преимущественно однонаправленной передачей сигналов, т.е. такой, при которой прохождение сигнала с входа на выход существенно преобладает над ему обратным, с выхода на вход. Электрическая связь между цепями усилители или процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении обратном основному, т.е. с выхода на вход называется обратной связью, а цепь, по которой осуществляется эта передача – цепь обратной связи.
ОС может быть специально организованной или возникать помимо желания разработчика. В таком случае ее называют паразитной.
В зависимости от структуры усилительного тракта, ОС может, как увеличивать усиление тракта, так и уменьшать его по напряжению. ОС увеличивающая коэффициент передачи – положительная (ПОС), понижающая его – отрицательная (ООС).
В усилительной технике в основном применяют ООС. При ее применении, ценой некоторого ухудшения усилительных свойств, повышается стабильность и определенность этих свойств, снижается уровень нелинейных, частотных и фазовых искажений.
Структурная схема усилительного тракта, охваченного цепью ОС:
В состав этой структуры входят:
· основной усилительный тракт (К34),
· основное звено цепи ОС (к56),
· два шестиполюсника (I, II).
В шестиполюснике II происходит ответвление части выходного сигнала, в основное звено цепи ОС. А шестиполюсник I объединяет, смешивает входной сигнал с сигналом, поступающим с выхода цепи ОС. Считается, что эти шестиполюсники и четырехполюсник К56 являются пассивными цепями,т.е. цепями, организованными на базе RLC элементов.
В структуре усилительного тракта с ОС образуется замкнутый кольцевой путь, называемый петлей ОС.
Степень влияния ОС на свойства усилительного тракта в первую очередь зависит от коэффициента передачи Т в этой петле, который называется петлевой передачей или возвратным отношением и от коэффициента передачи самого усилителя. Т.е. эффективность воздействия ОС на характеристики усилительного тракта определяется свойствами не только цепи ОС, но, в равной степени, и самого тракта, охватываемого цепью ОС.
Степень относительных изменений параметров усилительного тракта, вызываемых введением в него ОС, характеризуется глубиной ОС: F=1±T. Знак «+» соответствует схемам, организованным как схемы с ООС (F>1), знак «–» схемам, как с ПОС (F<1).
В ряде случаев схема усилительного тракта с ОС организована таким образом, что основное звено усиления К56 обладает частотно-зависимой ОС.
При рассмотрении свойств схемы с ОС, считают, что усилительный тракт К34 является однонаправленным. В реальных усилителях принцип однонаправленной передачи может нарушаться из-за паразитных ОС. Например, в следствии прохождения сигнала через проходную емкость транзистора. Влияние ОС можно учесть путем включения в структуру пассивных I, II и К56 звеньев дополнительной цепи, эквивалентной по передаточным свойствам внутренней ОС реального усилителя.
Часто построение шестиполюсников I, II таково, что цепи, идущие в их внешним зажимам, образуют внутри этих шестиполюсников параллельное (слева на рисунке) или последовательное соединение:
В соответствии с этим различают ОС параллельного и последовательного вида.
В зависимости от структуры входного шестиполюсника I различают ОС последовательную и параллельную по входу, а в зависимости от структуры шестиполюсника II – ОС последовательно и параллельную по выходу. Последние две разновидности часто называют ОС по току и ОС по напряжению. Такие названия обусловлены тем, что при ОС последовательной по выходу сигнальное напряжение на выходе основного звена К56 пропорционально протекающему через нагрузку Zн току, а ОС параллельное по выходу пропорциональна выходному напряжению.
Таким образом ОС бывает:
1. полезная (созданная для улучшения свойств цепи) и паразитная (возникшая в результате взаимодействия отдельных цепей),
2. внешняя (образованная в результате введения специальных цепей ОС) и внутренняя (обусловленная свойствами усилительного элемента),
3. положительная (если в результате сложения сигнала от источника и цепи ОС входное напряжение увеличивается) и отрицательная (если сигнал от источника и цепи ОС отличаются по фазе, так что напряжение на входе усилителя уменьшается),
4. однопетлевая и многопетлевая,
5. частотнозависимая (коэффициент передачи зависит от частоты) и нет,
6. последовательная и параллельная по входу; по току и по напряжению:
Свойства ОС:
ПОС позволяет получать незатухающие автоколебания, вызывает генерацию, поэтому применяется в основном в генераторах, ухудшает большинство характеристик устройства.
В усилителях применяется ООС, так как она позволяет улучшить основные технические показатели: стабилизирует усиление (уменьшить влияние дестабилизирующих факторов), повышает устойчивость (отсутствие самовозбуждения), снижает линейные и нелинейные искажения, расширяет полосу пропускания усилителя, обеспечивает требуемые значения вх и вых сопрот-ий.
Недостаток: улучшение основных характеристик усиления достигается за счет снижения его коэффициента усиления.
Влияние ОС на коэффициент усиления по напряжению (на примере последовательной ОС):
9. Эмитторный повторитель.
10. Устойчивость усилителей, охваченных ООС, оценка устойчивости усилителей на основе физических представлений (баланс амплитуд и фаз).
Устойчивость усилителей с обратной связью.
Усилители с ООС при определённых условиях могут самовозбуждаться, т.е. генерировать электрические колебания. Это свидетельствует о том, что усилитель прекращает свои функции по усилению электрических колебаний. При этом ООС превращается в ПОС. это происходит обычно за пределами рабочего диапазона частот из-за фазовых сдвигов в усилителе и в цепи обратной связи. Фаза как аргумент вектора петлевого коэффициента передачи Т изменяется:
Т = – β·К·е j∆φβК;
где величина ∆φβК определяется как сумма фазовых сдвигов в усилителе и в четырёхполюснике обратной связи:
∆φβК = ∆φК + ∆φβ; (4.13)
Уравнение (4.13) определяет дополнительный фазовый сдвиг к 180º между векторными источниками сигнала U ВХ.ИСТ и U ВХ.СВ., т.е. (180º + ∆φβК). Причиной изменения фазы являются реактивные элементы схемы, а на высоких частотах дополнительно инерционность работы усилительных элементов.
При ООС и ПОС величина Т является действительной:
FООС = 1 + ТООС > 1;
FПОС = 1 – ТПОС < 1;
Пока ТПОС < 1, усилитель не возбуждается, хотя ООС превращается в ПОС, т.е. она оказывается ещё недостаточно глубокой для самовозбуждения. Генерация наступает при:
ТПОС = 1;
и коэффициент усиления с обратной связью будет иметь бесконечно большое значение.
Практически усилитель возбуждается на низких и высоких частотах при:
ТПОС ≥ 1 и φβК = 180º + ∆φβК
Для оценки устойчивости усилителя с обратной связью используются различные критерии. Наиболее приемлемым оказался критерий Найквиста, который заключается в следующем: “Если точка с координатами (–1;0) лежит внутри годографа вектора βК для диапазона частот от 0 до ∞, то система неустойчива, рис. 4.7а; если же точка (–1;0) лежит вне указанного годографа, система устойчива, рис. 4.7б”
Рис. 4.7. Диаграммы Найквиста для неустойчивого а) и устойчивого усилителей б) с обратной связью.
Для повышения устойчивости усилителей разработаны методы, суть которых сводится к следующему.
- В усилителе с обратной связью следует охватить как можно меньше число каскадов, т.к. это уменьшает сдвиг фаз петли обратной связи
- Применять в охваченных обратной связью каскадах схемы межкаскадовой связи, дающие малые фазовые сдвиги.
- При проектировании усилителей задаются допустимой степенью приближения годографа Т к критической точке; эта степень получала название запаса устойчивости усилителя. Различают запас устойчивости по модулю “X
X = – 20lg | T X| при arg T X = π;
и запас устойчивости по фазе “Y”;
πY = π – arg T при | T X| = 1
Для групповых усилителей, имеющих глубокую ООС принимают запасы устойчивости: по модулю 3n дБ, а по фазе 0,175 рад (10n град.), где n – число усилительных каскадов.
Баланс амплитуд - есть условие, соответствующее формуле (6), то есть равенство единице произведения коэффициента усиления и коэффициента обратной связи.
K g = 1. (6)
Как показано выше, для его выполнения необходимо получить такие фазовые сдвиги, при которых их синус был равен нулю, а косинус – плюс 1. Это возможно при четном числе n, т.е.
j K + j b = 2π n, (7)
Условие, соответствующее (7), носит название баланс фаз - условие совпадения фаз на входе и выходе каскада усиления, обесечивающее самовозбуждение и стабильность фазы и частоты на выходе усилителя с введенной положительной обратной связью. Условие баланса амплитуд показывает, что для существования автоколебательного процесса ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно компенсироваться усилителем.
Для возбуждения гармонических колебаний, необходимо, чтобы условие баланса фаз и условие баланса амплитуд выполнялись только на одной (заданной) частоте. Поэтому в генераторе синусоидальных колебаний необходимо обеспечить частотно-избирательный характер или коэффициента усиления усилителя, или коэффициента передачи цепи обратной связи.
11. Частотный критерий устойчивости Найквиста. Запасы устойчивости. Применение положительной ОС в генераторах аналоговых сигналов.
При действии положительной связи ОС усилитель может самовозбуждаться, т.е. возникает генерация. Условиями появления генерации являются: 1) равный нулю фазовый сдвиг петлевого усилителя, необходимый при получения ОС; 2) равный или больше единицы модуль петлевого усилителя Т.
В дальнейшем будем рассматривать только частотно-независимую ОС, например последовательную ОС по напряжению, когда
(1)
Где