Обратная связь в усилителях

Размещено на http://www.allbest.ru/

КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилитель - электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (усиленного) сигналов совпадают.

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

- по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков Гц до десятков или сотен кГц; широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки МГц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

- по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля Гц 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 параметров усилитель усиливает.

Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению KU, току KI или мощности KP:

,

где Uвх, Iвх - амплитудные значения переменных составляющих напряжения и тока на входе;

Uвых, Iвых - амплитудные значения переменных составляющих напряжения и тока на выходе;

Рвх, Рвых - мощности сигналов на входе и выходе усилителя.

Простейшим усилителем является усилительный каскад (рис. 5.1), содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электрической энергии Е. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение uвх (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения uвых (усиленный сигнал). Усиленный сигнал имеет большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии Е. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента УЭ, а, следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение снимается с управляемого элемента УЭ или резистора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС Е в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Рис. 1. Структурная схема усилительного каскада

Усилительные свойства усилителя зависят от степени влияния входного сигнала на ток управляемого элемента: чем больше это влияние, тем больше будет паление напряжения от тока УЭ на резисторе, а значит, и выходное напряжение, которое зависит от сопротивления резистора R.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К=К1·К2·· Кп.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия

,

где Рист - мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Одной из основных характеристик усилителей является - амплитудная характеристика. Амплитудная характеристика - это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 5.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвх=0, точка 2 - минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2-3 - это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдается нелинейные искажения входного сигнала.

Величина характеризует динамический диапазон усилителя.



Рис. 2. Амплитудная характеристика усилителя

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратной связью (ОС) называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину. В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС). При наличии ООС выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и это приводит к уменьшению выходного сигнала.

Различают следующие 4 вида ОС в усилителях (рис. 5.3):

ь последовательная по напряжению (а);

ь параллельная по напряжению (б);

ь последовательная по току (в);

ь параллельная по току (г).

На рис. 3 обозначено: К - коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без ОС; в - коэффициент усиления цепи ОС.

Для определения вида ОС нужно "закоротить" нагрузку. Если при этом сигнал ОС обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль - ОС по току. При ОС по напряжению сигнал ОС, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При ОС по току сигнал ОС пропорционален выходному току.

Рис. 3. Виды обратной связи

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ООС НА ПРИМЕРЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ОС ПО НАПРЯЖЕНИЮ

В структурную схему усилителя, охваченного последовательной ОС по напряжению (рис. 4), входит цепь прямой передачи и цепь обратной связи.

Рис. 4. Структурная схема усилителя, охваченного последовательной ОС по напряжению

На усилитель с ОС подается внешний синусоидальный входной сигнал uвх1, а на цепь прямой передачи - сигнал uвх2.

Цепь прямой передачи характеризуется коэффициентом усиления по напряжению КU (коэффициент прямой передачи):

.

Цепь ОС характеризуется коэффициентом ОС:

.

Коффициент усиления усилителя, охваченного ОС определяется как:

.

Величину называют глубиной ОС (коэффициентом грубости схемы). Если глубина ОС достаточно велика, то и .

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, зависит только от свойств цепи ОС и не зависит от свойств цепи прямой передачи.

Определим входное сопротивление усилителя, охваченного ОС, структурная схема которого представлена на рис. 5.4.

Входное сопротивление цепи прямой передачи:

.

Входное сопротивление усилителя, охваенного ОС:

.

Последовательная ООС увеличивает входное сопротивление. Практически это всегда является положительным фактором.

РАЗНОВИДНОСТИ ООС СВЯЗЕЙ И АНАЛИЗ ИХ ВЛИЯНИЯ

ОС по напряжению. Она препятствует изменению выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Это означает, что введение ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя.

ОС по току. Она препятствует изменению выходного тока при изменении сопротивления нагрузки. Это означает, что введение ООС по току увеличивает выходное сопротивление усилителя.

- комплексная величина.

Если окажется, что на некоторой частоте аргумент ц комплексной величины окажется равен , то это будет означать, что напряжение ОС по фазе совпадает с напряжением ивх1 и напряжением ивх2. В этом случае окажется, что ОС станет положительной. Если к тому же окажется, что на рассматриваемой частоте выполняется условие , то это будет означать, что сигнал, проходящий последовательно через цепь прямой передачи и цепь ОС, усиливается. При этом и в случае нулевого напряжения ивх1 напряжения ивх2, ивых, иос окажутся ненулевыми, т.е. усилитель по существу превратится в генератор. Это явление называют самовозбуждением усилителя.

Для предотвращения самовозбуждения необходимо принимать меры, обеспечивающие выполнение одного из следующих условий:

На практике обычно пользуются вторым условием.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и др.) при работе в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). В настоящее время ОУ применяются в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т.д.

На рис. 5 показано условное обозначение ОУ. Изображение источников питания +Еп, -Еп, к которым подключаются соответствующие выводы ОУ, на схемах часто опускают. Один из входов усилителя (uвх1) называется неинвертирующим, а второй (uвх2) - инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала.

Рис. 5. Условное обозначение ОУ

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Инвертирующий усилитель (рис. 6), изменяющий знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос параллельной ООС по напряжению. Неинвертирующий вход связывается с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.



Рис. 6. Схема инвертирующего усилителя

Воспользуемся уравнением токов для узла 1. Если принять и входной ток ОУ , то . Отсюда

.

При напряжение на входе ОУ , в связи с чем предыдущее выражение принимает вид .

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной ОС определяется параметрами только пассивной части схемы: .

Выбор , когда придает схеме рис. 5.6 свойства инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала).

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Неинвертирующий усилитель (рис. 7) содержит последовательную ООС по напряжению, поданную по инвертирующему входу; входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.



Рис. 7. Схема неинвертирующего усилителя

В силу равенства нулю напряжения между входами ОУ () входное напряжение схемы связано с выходным напряжением соотношением

,

откуда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

.

При и схема неинвертирующего усилителя превращается в схему повторителя с .

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА В НАПРЯЖЕНИЕ

Схема, осуществляющая преобразование тока в напряжение (рис. 5.8), является вариантом схемы рис. 5.6 при .



Рис. 8. Схема преобразователя тока в напряжение

,

.

Малое входное и выходное сопротивления являются важными преимуществами схемы при ее использовании для преобразования тока источников сигнала в напряжение.

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ СУММАТОР

Схема данного сумматора (рис. 5.9) выполняется по типу инвертирующего усилителя с числом параллельных ветвей на входе, равным количеству сигналов, предназначенных для сложения. Сопротивления резисторов принимают одинаковыми: .

Рис. 9. Схема инвертирующего сумматора

При имеем

.

Поскольку напряжение U0 между входами ОУ пренебрежительно мало, то сумма входных токов, протекающих по Rос, создает на нем напряжение, равное:

.

Подставив вместо токов их выражения, получаем следующее выражение:

.

Выходной сигнал равен сумме входных сигналов с обратным знаком.

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ СУММАТОР

Схема неинвертирующего сумматора построена на основе схемы неинвертирующего усилителя.

При U0=0 (рис. 5.10) напряжения на обоих входах ОУ равны и составляют

.



Рис. 10. Схема неинвертирующего сумматора

При равенстве нулю тока по неинвертирующему входу () имеем:

(ток)

Выбор параметров схемы производят, исходя из равенства единице первого сомножителя в правой части выражения:

.

ИНТЕГРИРУЮЩИЙ И ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛИ

Схемы, выполняющие математические операции интегрирования и дифференцирования входных сигналов, также выполняются на ОУ с ОС.

Интегрирующий усилитель выполняется на базе инвертирующего ОУ с заменой резистора ОС Rос на конденсатор С (рис. 5.11).

По аналогии: , тогда

. Отсюда:

,

где - выходное напряжение при t=0.

Отсчет времени ведут с момента поступления входного сигнала, причем обычно при t=0, и . Тогда

,

где - постоянная интегрирования.

Дифференцирующий усилитель выполняется на базе инвертирующего ОУ с заменой резистора ОС R1 на конденсатор С (рис. 5.12).

По аналогии: , тогда

обратный связь усилитель сумматор

. Отсюда:

.



Рис. 11. Схема интегратора

Рис. 12. Схема дифференцирующего усилителя

Размещено на Allbest.ru

...