Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 8 из 17

ЭЛЕКТРОННЫЕ

УСТРОЙСТВА

2.1.КЛАССИФИКАЦИЯ,

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагруз­ке. Причем мощность, требующаяся для управления, на­много, как правило, меньше мощности, отдаваемой в на­грузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Все усилители можно классифицировать по следую­щим признакам:

• 
  по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц; широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;
  
• 
  по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;
  
• 
  по функциональному назначению: усилители напря­жения, усилители тока и усилители мощности в зависи­мости от того, какой из параметров усилитель усиливает.
  

Основным количественным параметром усилителя яв­ляется коэффициент усиления. В зависимости от функци­онального назначения усилителя различают коэффициен­ты усиления по напряжению К_U, току К_i или мощности К_Р:




где U_ex, I_ex— амплитудные значения переменных состав­ляющих соответственно напряжения и тока на входе; U_вых ,1_вых— амплитудные значения переменных сос­тавляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Р_ex ,Р_вых — мощности сигналов соответственно на вхо­де и выходе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логариф­мических единицах — децибелах:

К_U(дБ)= 20LgK_u; К_i(дБ) = 20LgK,; К_Р(дБ) = 101gK_P.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиле­ния отдельных его каскадов: К = К, • К₂ •... • К_n. Если ко­эффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициен­тов усиления отдельных каскадов:

К(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) +... + К_п(дБ).

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэф­фициент усиления является комплексной величиной:

где К_и= U_eых /U_eх— модуль коэффициента усиления;

φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряже­ниями с амплитудами U_eх и U_eых. Помимо коэффициента усиления важным количест­венным показателем является коэффициент полезного действия
где Р_ист — мощность, потребляемая усилителем от источ­ника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощ­ных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_вхи выходное R_eыхсопротивления усили­теля:







где U_вх и 1_вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;
ΔU_выхи Δ1_вых— приращения аплитудных значений на­пряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Рассмотрим теперь основные характеристики усилите­лей.

Амплитудная характеристика — это зависимость амп­литуды выходного напряжения (тока) от амплитуды вход­ного напряжения (тока) (рис. 2.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_ex= О, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигаал на фоне шумов. Участок 2—3 — это рабочий участок, на котором сохраня­ется пропорциональность между входным и выходным на­пряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются не­линейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом не­линейных искажений (или коэффициентом гармоник):

где U_lm, U_2m, U_3m, U_nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина

характеризует динамический диапазон усилителя.

Рассмотрим пример возникновения нелинейных иска­жений (рис. 2.3).

При подаче на базу транзистора относительно эмитте­ра напряжения синусоидальной формы u_бэ в силу нелиней­ности входной характеристики транзистора i_б = f(u_бэ) входной ток транзистора i₆ (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем по­является ряд высших гармоник. Из приведенного приме­ра видно, что нелинейные искажения зависят от ампли­туды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала




входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в много­каскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых посту­пают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя. АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ при­ведена на рис. 2.4. Частоты f_ни f_вназываются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f_н— f_в) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно ма­лой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, со­держащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются уси­лителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

где K_f—модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.



Коэффициенты частотных искажений М_н = K₀ /K_н и М_В = K₀ /K_в называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом мас­штабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), ко­эффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а



Рис. 2.5

по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интер­вал частот между 10f и f). Обычно в качестве точек отсче­та выбирают частоты, соответствующиеf= 10ⁿ. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.

Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения ми­нимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Рис. 2.6

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, со­стоящего из двух гармоник (пунктир), которые при уси­лении претерпевают фазовые сдвиги.


Рис. 2.7

Переходная характеристика усилителя— это зависи­мость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики уси­лителя однозначно связаны друг с другом. Области верх­них частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переход­ная характеристика в области больших времен.

Рис. 2.8

2.2. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существен­ным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, ис­пользуется так называемая отрицательная обратная связь (ООС), которая и будет рассматриваться ниже. При нали­чии отрицательной обратной связи выходной сигнал та­ким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала.

Когда в 1928 г. была предпринята попытка запатенто­вать отрицательную обратную связь, то эксперты не уви­дели ее полезности и дали отрицательный ответ. И дей­ствительно, на первый взгляд, отрицательная обратная связь только уменьшает коэффициент усиления усилите­ля. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в электронике в частности, один недостаток того или ино­го решения может значительно перевешиваться его дос­тоинствами. Отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает коэффициент усиления, но исключительно благо­творно влияет на многие параметры и характеристики уси­лителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частот коэффициент уси­ления оказывается не зависящим от частоты и т. д.

2.2.1. Классификация обратных связей в усилителях

Различают следующих 4 вида обратных связей в усили­теле (рис. 2.9):

• 
  последовательная по напряжению (а);
  
• 
  параллельная по напряжению (б);
  
• 
  последовательная по току (в);
  
• 
  параллельная по току (г).
  

Рис. 2.9
На рис. 2.9 обозначено: К — коэффициент прямой пе­редачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи; B — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «за­коротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной свя­зи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль — то это OC по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорциона­лен выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением на­пряжений) в качестве сигнала обратной связи использу­ется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сиг­нала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сиг­нала.

2.2.2. Анализ влияния отрицательной обратной связи на примере последовательной обратной связи по напряжению

Рассмотрим влияние ООС на примере усилителя, ох­ваченного последовательной обратной связью по напря­жению (рис. 2.10).

В структурную схему входит цепь прямой передачи и цепь обратной связи (цепь обратной передачи). Предпо­лагается, что указанные цепи линейные. На усилитель с обратной связью подается внешний синусоидальный вход­ной сигнал и_вх1 а на цепь прямой передачи — сигнал и_вх2. Цепь прямой передачи характеризуется комплексным ко-


эффициентом усиления по напряжению К_и(коэффици­ентом прямой передачи):




где U_вх2 , U_вых -соответственно комплексные действу­ющие значения напряжений и_вх2 и и_вых. Цепь обратной связи характеризуется комплексным

коэффициентом обратной связи β:


гдеU_ос— комплексное действующее значение напряже­ния обратной связи и_ос

Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. Этот коэффициент К_иосопределяется по формуле
где U_вх1— комплексное действующее значение напряже­ния и_вх1. Легко заметить, что



Поэтому


Таким образом,



Величину l+β • К_и называют глубиной обратной свя­зи (коэффициентом грубости схемы), а величину β • К_иназывают петлевым усилением. Если глубина обратной связи достаточно велика, то | β• К_и|»1 и

Отсюда можно сделать следующий очень важный вы­вод: если глубина отрицательной обратной связи достаточ­но велика, то коэффициент усиления усилителя, охвачен­ного обратной связью К_иос, зависит только от свойств цепи обратной связи и не за висит от свойств цепи прямой передачи.

В цепи прямой передачи используются активные при­боры (транзисторы, операционные усилители и т. д.), ко­торые обычно не отличаются высокой стабильностью па­раметров. Из-за этого и коэффициент К_и является нестабильным. Но если используется глубокая отрица­тельная обратная связь и в цепи обратной связи применя­ются высокостабильные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и так далее), то общий коэффициент уси­ления К_иосоказывается стабильным.

Даже если глубина обратной связи не настолько вели­ка, что можно пренебрегать единицей в выражении

1 + β • К_и, отрицательная обратная связь, как можно пока­зать, уменьшает нестабильность коэффициента К_иос.

Важно уяснить, что сделанный вывод справедлив неза­висимо от того, какие дестабилизирующие факторы вли­яют на изменение величины К_и(температура, уровень ра­диации и т. д.).

Частотные характеристики усилителя, охваченного об­ратной связью. Если рассуждать формально, то при на­личии частотных характеристик для К_ии B частотные

характеристики для К_иосоказываются однозначно опре­деленными выражением




И тем не менее очень поучительно более детально рас­смотреть вопрос влияния отрицательной обратной связи на частотные свойства усилителя. Пусть коэффициенты К_ии β являются вещественными. Тогда и коэффици­ент К_иос— вещественный. Будем для этого случая ис­пользовать обозначения К_и, βи К_иос . Пусть в некотором частотном диапазоне коэффициент К_и изменяется в пре­делах от 10000 до 1000 (на 90% по отношению к значению 10000), а коэффициентBявляется постоянным, β = 0,1. Тогда в соответствии с формулой для К_иосокажется, что К_иос будет изменяться в пределах от 9,99 до 9,9 (пример­но на 1%). Таким образом, изменение коэффициента уси­ления после введения отрицательной обратной связи ста­нет значительно меньшим.

Важно уяснить, что если все же необходимо повысить коэффициент усиления до 10000, то и в этом случае ис­пользование отрицательной обратной связи значительно улучшит стабильность.

Пусть для получения большого коэффициента усиле­ния использованы 4 включенных последовательно опи­санных усилителя, охваченных отрицательной обратной связью. Тогда в рассматриваемом диапазоне частот общий коэффициент усиления будет изменяться в пределах от 9960 (9,99 • 9,99 • 9,99 • 9,99) до 9606 (9,9 • 9,9 • 9,9 • 9,9).

Изменение составит 3,6% ((9960-9606)/9960•100%). Это, очевид­но, значительно меньше 90%.

В том диапазоне частот, в котором выполняется усло­вие | β • К_и|»1, коэффициент К_иосможно определить из выражения

| К_иос| = 1/|β|

В первом приближении можно считать, что единицей можно пренебречь при условии, что

1 < |β К_и|.




Отсюда получаем | К_и| > 1/|β|

Пусть в качестве цепи прямой передачи используется рассмотренный выше операционный усилитель К140УД8, а в качестве цепи обратной связи — делитель напряжения,

причем β= β= 0,1 (рис. 2.11).

Легко заметить, что U_ос=U_вых•0,1

Таким образом, для этой схемы действительно



В соответствии с полученным выше неравенством мож­но, в первом приближении, считать, что

| К_иос| ⁼ 1/β=10 в том диапазоне частот, в котором | К_и| > 10.

Поэтому для определения частоты среза f_cpосусилите­ля, охваченного отрицательной обратной связью, в первом приближении достаточно провести горизонтальную ли­нию на уровне | К_и| = 10 до пересечения с амплитудно-частотной характеристикой используемого операционного усилителя К140УД8. Из рис. 2.12 видно, что f_cpос=



=5 • IO⁵ Гц, это значительно больше частоты среза f_cpопе­рационного усилителя (f_cp =10 Гц), не охваченного обрат­ной связью. Характеристика, изображенная жирной лини­ей, представляет собой в первом приближении амлитудно-частотную характеристику усилителя с отрица­тельной обратной связью, которая, естественно, оказывает благотворное воздействие и на фазочастотную характери­стику.