double arrow

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 UВХ.ИСТ и UВХ.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.

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 |TX| при arg TX = π; и запас устойчивости по фазе “Y”;

πY = π – arg T при |TX| = 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 3Усилители 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 Uпит) 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 (Uвх=0) jб=j1 и jк=j2, вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном резисторе (Iн=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 Iн. Потенциальная диаграмма усилителя (рис. 6.9, б) показывает, что в отсутствие входного напряжения (0 £ t £ t1) выходное напряжение Uвых=0; в интервале t1<t<t2 при Uвх<0 выходное напряжение Uвых>0, а в интервале t>t2 Uвх>0 и Uвых<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.

 

Вопросы для контроля:

1. Что называют обратной связью?

2. Для чего нужна обратная связь?

3. Какие виды обратной связи существуют?

4. Дайте определение  отрицательной обратной связи (ООС).

5. Для чего нужна ООС?

6. Как влияет ООС на стабильность работы усилителей?

7. Дайте определение усилителю постоянного тока?

8. Где применяется усилитель постоянного тока?

Домашнее задание:

Изучить и дополнить конспект.

Ответить на вопросы







Сейчас читают про: