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 ∆φ_βК определяется как сумма фазовых сдвигов в усилителе и в четырёхполюснике обратной связи:

∆φ_βК = ∆φ_К + ∆φ_β; (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 + ∆φ_βК). Причиной изменения фазы являются реактивные элементы схемы, а на высоких частотах дополнительно инерционность работы усилительных элементов.

При ООС и ПОС величина Т является действительной:

F_ООС = 1 + Т_ООС> 1;

F_ПОС = 1 – Т_ПОС< 1;

Пока Т_ПОС< 1, усилитель не возбуждается, хотя ООС превращается в ПОС, т.е. она оказывается ещё недостаточно глубокой для самовозбуждения. Генерация наступает при:

Т_ПОС= 1;

и коэффициент усиления с обратной связью будет иметь бесконечно большое значение:

;

Практически усилитель возбуждается на низких и высоких частотах при:

Т_ПОС≥ 1 и φ_βК= 180º + ∆φ_βК

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.

1. В усилителе с обратной связью следует охватить как можно меньше число каскадов, т.к. это уменьшает сдвиг фаз петли обратной связи

2. Применять в охваченных обратной связью каскадах схемы межкаскадовой связи, дающие малые фазовые сдвиги.

3. 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”;

π_Y = 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.

Вопрос 3 Усилители постоянного тока

Усили́тель постоя́нного то́ка (УПТ) — усилитель электрических сигналов, обычно электронный усилитель, диапазон усиливаемых частот которого включает нулевую частоту («постоянный» ток).

На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин «УПТ» можно применять к любому усилителю, способному усиливать сигналы постоянного тока.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигнала очень низких частот - порядка долей герц.

Характеристики усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований:

1) в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

2) при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

3) напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

При этом возникают трудности, связанные с отделением полезного (переменного) сигнала от постоянных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзистора. Это достигается компенсационным методом, за счет которого в отсутствии входного сигнала отсутствует выходной сигнал.

Изменение сигнала на выходе при отсутствии изменений входного сигнала под воздействием дестабилизационных факторов (изменение температуры, пульсации U_пит) называют дрейфом нуля.

Способы уменьшения дрейфа нуля:

· Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура.

· Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима.

· Использование ООС.

· Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.

УПТ с одним источником питания. Простейшая схема УПТ с одним источником питания приведена на рис. 6.9 (а). На рис. 6.9 (б) показаны временные диаграммы его работы. Простейший УПТ с одним источником питания (рис. 6.9 (а) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме ОЭ с температурной стабилизацией (на рисунке он выделен штриховыми линиями). У этого усилительного каскада отсутствует конденсатор в цепи эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усиления из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую полосу пропускания.

В рассматриваемом УПТ (рис. 6.9 (а) нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R₃R₄, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R₁R₂. Потенциалы средних точек делителей таковы, что в отсутствие входного напряжения (U_вх=0) j_б=j₁ и j_к=j₂, вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном резисторе (I_н=0). Для точной подстройки режима в выходной цепи имеется переменный резистор R₅.

При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторный токи транзистора, что приводит к изменению напряжения на коллекторе транзистора и появлению тока I_н. Потенциальная диаграмма усилителя (рис. 6.9, б) показывает, что в отсутствие входного напряжения (0 £ t £ t₁) выходное напряжение U_вых=0; в интервале t₁<t<t₂ при U_вх<0 выходное напряжение U_вых>0, а в интервале t>t₂ U_вх>0 и U_вых <0. В УПТ с одним источником питания и в других подобных усилителях вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе. Способ включения нагрузочного резистора и подачи входного напряжения при этом не изменится.

Схемы усилителей с одним источником питания обладают рядом недостатков. Во-первых, в них нагрузочные резисторы включаются между электродом транзистора и средней точкой делителя и не могут быть соединены с общей точкой усилителя (корпусом), имеющей нулевой потенциал. Такое соединение с общей точкой необходимо в сложных электронных устройствах со многими усилительными каскадами. Во-вторых, источник входного напряжения (рис. 6.9, а) тоже не соединен с общей точкой усилителя.