Усилители с обратной связью

????????? ?? http://www.allbest.ru/

????????? ?? http://www.allbest.ru/

Усилители с обратной связью

В усилителе с обратной связью (ОС) имеет место передача сигнала с его выхода на вход, реализуемая через специальную цепь, называемую цепью обратной связи (рис. 2.22). Петлю обратной связи образуют собственно усилитель с коэффициентом усиления и цепь ОС с коэффициентом передачи (сумматор У - это входная цепь усилителя; с целью упрощения выражений коэффициенты передачи сумматора приняты равными единице). Напряжение на выходе цепи ОС, возникшее в результате действия на ее входе (выходе усилителя) напряжения , называется напряжением обратной связи .

Поскольку зависит от частоты, обратная связь в широком диапазоне частот имеет комплексный характер, однако в области частот, где можно пренебречь реактивностями схемы, обратную связь можно считать вещественной. При этом она может быть как положительной, так и отрицательной, что зависит от фазового сдвига по петле обратной связи: при четном числе инверсий сигнала она положительная, а при нечетном - отрицательная. В случае положительной ОС напряжения и находятся в фазе, и напряжение на входе собственно усилителя больше напряжения , а в случае отрицательной ОС ( и находятся в противофазе) - меньше .

При разомкнутой петле обратной связи (характеризующейся тем, что цепь ОС считается подключенной к усилителю, но напряжение обратной связи полагается равным нулю) на входе собственно усилителя действует напряжение , а на выходе - , связанные между собой через коэффициент усиления . При замыкании петли обратной связи напряжение на входе собственно усилителя изменится и станет равным , изменится и выходное напряжение , в связи с чем произойдет изменение и коэффициента усиления усилителя для напряжения :

. (2.10)

Здесь - показатель обратной связи; - петлевой коэффициент усиления.

В результате введения обратной связи изменяется не только коэффициент усиления, но и его нестабильность

.

В частности, при отрицательной ОС , поэтому и , а при положительной ОС и , т.е. отрицательная ОС уменьшает как коэффициент усиления, так и нестабильность коэффициента усиления, тогда как положительная ОС, наоборот, увеличивает.

Характер влияния обратной связи на входное сопротивление зависит не только от знака ОС (положительная ОС или отрицательная), но и от того, как соединены между собой источник входного сигнала, вход собственно усилителя и выход цепи ОС - последовательно (рис. 2.23, а) или параллельно (рис. 2.23, б). Обозначив входное сопротивление (входную проводимость) усилителя при подсоединенной цепи ОС через (), запишем очевидные соотношения для случая разомкнутой и замкнутой петли обратной связи:

;

.

Разделив одно выражение для входного тока (входного напряжения) на другое и учтя, что , окончательно получим

(2.11)

откуда следует, что отрицательная последовательная обратная связь увеличивает входное сопротивление (), а параллельная - уменьшает ().

Рассматривая аналогично усилитель со стороны выхода отдельно для случая обратной связи по току (рис. 2.23, в) и по напряжению (рис. 2.23, г), будем иметь

(2.12)

где .

Поскольку отрицательная обратная связь (ООС) уменьшает любое возмущение (отклонение параметров), возникшее в усилителе, ее можно использовать для понижения уровня гармоник при нелинейных искажениях или для расширения полосы пропускания усилителя, но последнее, строго говоря, только в том случае, если усилитель описывается не больше чем одной постоянной времени в области нижних частот и одной (доминирующей) постоянной времени в области верхних частот, т.е. в случае, когда

.

Подставив это выражение в формулу (2.10), получим функцию передачи усилителя с обратной связью

,

где . При отрицательной обратной связи , поэтому полоса пропускания усилителя с ООС шире, чем у усилителя без ОС, а тем более по сравнению с усилителем с положительной ОС (ПОС на рис. 2.24).

При большем числе постоянных времени из-за фазового набега по петле обратной связи отрицательная обратная связь на некоторой частоте становится положительной, что может привести к росту искажений и нестабильности, а в худшем случае - к самовозбуждению усилителя, т.е. к такому его состоянию, когда выходной сигнал будет определяться параметрами петли обратной связи и существовать вне зависимости от наличия входного. Чтобы исключить самовозбуждение усилителя, достаточно выполнить условие устойчивости

,

т.е. иметь петлевой коэффициент передачи меньше единицы на тех частотах , где фазовый сдвиг по петле ОС кратен (где ОС положительная). Чтобы выполнить условие устойчивости в области нижних частот, минимизируется в петле ОС число разделительных и блокирующих конденсаторов, а для обеспечения устойчивости в области верхних частот в усилитель вводятся элементы коррекции - резисторы и конденсаторы малой емкости.

Простейшим примером усилителя с отрицательной обратной связью является каскад на транзисторе с общим истоком (см. рис. 2.7) или с общим эмиттером (см. рис. 2.11) при нулевом значении емкости блокирующего конденсатора. В этом случае () входит как во входную, так и выходную цепь, образуя последовательную обратную связь, что подтверждается тем фактом, что при коротком замыкании внутреннего сопротивления источника сигнала () действие обратной связи не прекращается. В схемах на рис. 2.7 и 2.11 действие обратной связи не прекращается и при коротком замыкании по переменному току сопротивления нагрузки ( или ), что характеризует обратную связь по току. Нетрудно убедиться, что, в отличие от схем на рис. 2.7 и 2.11, в схемах на рис. 2.8, б и 2.12, б действует обратная связь по напряжению.

Другим примером применения обратной связи является активная нагрузка в схеме на рис. 2.17, где петля обратной связи образована транзисторами (по пути базаэмиттер - без инверсии сигнала) и (по пути базаколлектор - с инверсией сигнала). Поскольку по петле ОС насчитывается нечетное число инверсий, обратная связь является отрицательной, при этом параллельной и по напряжению, так как опыт короткого замыкания (по переменному току) сопротивления входного источника сигнала (выходного сопротивления транзистора ) и сопротивления нагрузки (входного сопротивления транзистора ) приводит как в том, так и в другом случае к прекращению действия обратной связи.

На рис. 2.25 приведен еще один пример усилителя с обратной связью, где , и - входной балансный каскад; и - активная нагрузка балансного каскада; и - выходной двухтактный каскад класса AB (элементы защиты не показаны); , и - цепь смещения для транзисторов выходного каскада; - эмиттерный повторитель, который увеличивает сопротивление нагрузки балансного каскада, тем самым увеличивая его коэффициент усиления по напряжению; - элемент схемы сдвига уровня постоянного напряжения, служит для согласования по постоянному току выхода балансного каскада (высокий уровень) с входом выходного каскада (низкий уровень, равный примерно ); - элемент цепи обратной связи. Сигнал в петле ОС передается по пути

,

претерпевая только одну инверсию, поэтому обратная связь является отрицательной. Другие характеристики обратной связи: со стороны выхода усилителя - ОС по напряжению; относительно - параллельная; относительно - последовательная.

Операционные усилители

Операционный усилитель - это многоцелевой дифференциальный усилитель постоянного тока. Операционные усилители (ОУ), выпускаемые в виде микросхем, состоят из двух или трех каскадов, не считая выходного. Структурная схема ОУ приведена на рис. 2.26, где входной каскад - это балансный каскад, выполненный на биполярных или полевых транзисторах; второй каскад может быть балансным или небалансным; третий, если он есть, - небалансный; выходной каскад - двухтактный класса AB (схемотехника выходного и балансных каскадов рассмотрена ранее). Устойчивость ОУ обеспечивается внутренней или внешней (по отношению к микросхеме ОУ) цепью коррекции.

Все операционные усилители подразделяются на 5 групп: быстродействующие широкополосные ОУ, которые отличаются высоким быстродействием и широкой полосой пропускания; прецизионные (высокоточные) ОУ, характеризующиеся низкой суммарной погрешностью; ОУ общего применения, имеющие средние значения параметров по сравнению с параметрами быстродействующих и прецизионных ОУ; микромощные ОУ, отличающиеся низкой мощностью, потребляемой от источников питания при отсутствии входного сигнала; мощные ОУ, способные развивать на нагрузке большую выходную мощность. Примеры микросхем ОУ различных групп: 140УД11, 154УД2, 154УД4, 574УД1, 574УД3, 1420УД1 (быстродействующие); 140УД17, 140УД25, 140УД26, 153УД5 (прецизионные); 140УД22, 153УД6, 157УД4, 544УД1, 544УД2, 551УД1 (общего применения); 140УД12, 140УД14, 140УД28, 153УД4, 154УД1, 1407УД2, 1408УД1 (микромощные); 157УД1, 1040УД2, 1422УД1 (мощные). Промышленно выпускаются также микросхемы, содержащие в одном корпусе два и более операционных усилителей: 140УД20, 157УД3, 574УД2, 1005УД1, 1401УД4, 1426УД1, 1434УД1. Существуют микросхемы ОУ, у которых для уменьшения выходного напряжения дрейфа используется преобразование частотного спектра входного сигнала (140УД13) или периодическая коррекция дрейфа (140УД24).

Электрическая модель операционного усилителя описывается системой параметров, образующих четыре группы: входные параметры, параметры передачи, выходные параметры и параметры цепей питания.

I. Входные параметры.

1. Напряжение смещения - постоянное входное напряжение, при котором напряжение дрейфа на выходе ОУ равно нулю (или, другими словами, взятое с обратным знаком приведенное напряжение дрейфа).

2. Температурный дрейф напряжения смещения - отношение изменения напряжения смещения к приращению температуры, послужившему причиной этого изменения.

3. Коэффициент влияния источников питания - отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его приращению напряжения питания.

4. Ток смещения (входной ток ) - постоянный ток (максимальный) одного из двух входов, измеренный при отсутствии входного сигнала.

5. Ток сдвига - разность между токами смещения двух входов.

6. Температурный дрейф тока сдвига - отношение изменения тока сдвига к приращению температуры.

7. Входное дифференциальное сопротивление - сопротивление для входного дифференциального сигнала (т.е. сопротивление между двумя входами).

8. Входное синфазное сопротивление - сопротивление для входного синфазного сигнала (т.е. сопротивление между объединенными входами и общей шиной). Величина у подавляющего большинства ОУ составляет Ом (входной каскад на биполярных транзисторах) или Ом (входной каскад на полевых транзисторах).

9. Входная емкость - емкость между двумя входами; обычно пФ.

10. Предельное входное напряжение - максимальное входное дифференциальное напряжение, не вызывающее необратимых изменений в ОУ. Для ОУ, имеющих защиту от больших входных напряжений, допускается и больше.

11. Предельное входное синфазное напряжение - максимальное входное синфазное напряжение, безопасное для ОУ и не вызывающее заметного ухудшения его параметров. В современных ОУ напряжения близки к напряжениям питания.

12. Нормированное входное напряжение шума ( - среднеквадратичное значение входного напряжения шума, измеренное в диапазоне частот ).

13. Нормированный входной ток шума ( - среднеквадратичное значение входного тока шума, измеренное в диапазоне частот ).

II. Параметры передачи.

1. Коэффициент усиления - коэффициент усиления дифференциального напряжения при холостом ходе на выходе и на частоте, близкой к нулю.

2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала ( - коэффициент передачи ОУ для синфазного напряжения).

3. Площадь усиления ( - верхняя граничная частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в раз по отношению к - см. рис. 2.2, а). Для большинства ОУ ; отдельные типы ОУ могут иметь .

4. Частота единичного усиления - частота, на которой модуль функции передачи (коэффициент усиления) становится равным единице.

5. Скорость нарастания выходного напряжения - отношение изменения выходного напряжения к времени , за которое это изменение произошло ( - установившееся значение выходного напряжения - см. рис. 2.3). При измерении ОУ охватывается стопроцентной отрицательной обратной связью.

6. Время установления выходного напряжения - время от момента подачи на вход напряжения до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности, которая обычно находится в пределах (см. рис. 2.3).

III. Выходные параметры.

1. Выходное сопротивление - отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему его изменению тока нагрузки; для большинства ОУ Ом.

2. Предельное выходное напряжение - максимальная амплитуда неискаженного выходного напряжения. В современных ОУ приближается к .

3. Предельный выходной ток - максимальный ток нагрузки, безопасный для ОУ. В усилителях с защитой от последствий короткого замыкания - ток короткого замыкания (в табл. 2.3 отмечено верхним индексом «*»).

4. Минимальное сопротивление и максимальная емкость нагрузки ( и ) - значения, при которых еще гарантируются технические характеристики ОУ. Для большинства ОУ (без учета мощных) кОм; пФ.

IV. Параметры цепей питания.

1. Напряжения питания . Подавляющее большинство ОУ имеют симметричное питание от источников с напряжениями В.

2. Ток питания - потребляемый усилителем от источников питания ток при отсутствии входного сигнала.

В табл. 2.3 представлены значения основных параметров операционных усилителей, выпускаемых промышленностью в виде полупроводниковых интегральных схем. Параметры, приведенные над горизонтальной чертой, относятся к ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах, а под чертой - на полевых транзисторах.

усилитель сигнал сопротивление цепь

Существует несколько эквивалентных схем различной сложности, отражающих тот или иной набор параметров ОУ. Простейшая эквивалентная схема ОУ и ее матрица проводимостей приведены на рис. 2.27, где . Функция передачи по напряжению операционного усилителя в общем случае имеет вид

,

где - высокочастотная постоянная времени i-го каскада; - число каскадов.

При анализе схем, работающих в области не очень высоких частот (по отношению к частоте ), достаточно учесть только одну постоянную времени :

.

Для многих приложений операционный усилитель можно считать идеальным усилителем с параметрами .

Размещено на Allbest.ru