Размещено на http://www.allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Факультет Транспортных систем

Кафедра «Системы обеспечения движения поездов»

Контрольная работа №1

По дисциплине: Электроника

На тему: Обратная связь в усилителях. Влияние отрицательной обратной связи на характеристики усилителя.

Выполнил: студент Третьяков Д.В.

Группа: з/о СОД.1-12-2

Шифр к-12-СОД.1-0237К

Принял: Довгун В.П.

Красноярск 2015

1. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

1.1. Понятие обратной связи

Обратной связью называется такая связь между цепями усилителя, при которой часть энергии усиленных колебаний в виде напряжения или тока с выхода усилителя передается на его вход. Обычно связь осуществляется через пассивные элементы, которые передают сигналы в обоих направлениях. Но выходное напряжение обычно намного больше входного, поэтому влияние входа цепи обратной связи на выход не учитывается. Структурная схема усилителя с обратной связью представлена на рисунке 1:

усилитель связь обратный отрицательный

Рис.1. Структурная схема усилителя с обратной связью.

Пассивная цепь, соединяющая вход и выход усилителя, называется цепью обратной связи, а весь усилитель вместе с пассивной цепью - усилителем с обратной связью. Цепь обратной связи вместе с усилителем образует замкнутый контур, называемый петлей обратной связи. В усилителе может быть несколько петель обратной связи.

1.2. Виды обратной связи

Различают три вида обратной связи: внутреннюю, внешнюю и паразитную. Внутренняя обратная связь существует во всех активных элементах. Внешняя обратная связь определяется наличием специальных цепей, введенных в усилитель. Паразитная связь появляется из-за паразитных емкостных и индуктивных связей, создающих пути для передачи напряжения с выхода усилителя на вход. Обычно внутренними и паразитными связи управлять невозможно. Можно лишь пытаться минимизировать их влияние. Внешняя обратная связь управляется легко. Ее специально вводят для улучшения качества усилителя: повышения стабильности коэффициента усиления, расширения полосы пропускания, уменьшения искажений, изменения величины входного и выходного сопротивлений усилителя.

В зависимости от схемы присоединения цепи обратной связи к входу усилителя, различают последовательную и параллельную обратную связь. В зависимости от схемы присоединения цепи обратной связи к выходу усилителя, различают обратную связь по напряжению и по току. Соответственно может быть 4 варианта схем с обратной связью, структурные схемы которых представлены на рис.2. Это усилитель с последовательной обратной связью по напряжению, усилитель с параллельной обратной связью по напряжению, усилитель с последовательной обратной связью по току и усилитель с параллельной обратной связью по току.

а б

в г

Рис.2. Структурные схемы усилителей с обратной связью:

а - последовательная по напряжению; б - параллельная по напряжению; в - последовательная по току; г - параллельная по току.

Для выяснения вида обратной связи надо мысленно оборвать цепь нагрузки усилителя. Если обратная связь исчезает при обрыве нагрузки, в схеме имеется обратная связь по току. Если обратная связь исчезает при коротком замыкании нагрузки - в схеме имеется обратная связь по напряжению.

Затем нужно мысленно оборвать цепь источника сигнала. Если напряжение обратной связи не подается на вход при обрыве цепи источника сигнала - в схеме имеется последовательная обратная связь. Если напряжение не подается на вход при замыкании цепи источника сигнала - в схеме имеется параллельная обратная связь.

Введем следующие обозначения:

- напряжение на входе усилителя с обратной связью;

- напряжение на входе усилителя без обратной связи;

- напряжение на выходе цепи обратной связи;

- коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

- коэффициент усиления усилителя с обратной связью;

- коэффициент передачи цепи обратной связи.

Будем считать, что входное сопротивление цепи обратной связи значительно больше выходного сопротивления усилителя, а выходные сопротивления цепи обратной связи и источника сигналов значительно меньше входного сопротивления усилителя. Определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью при гармоническом сигнале на входе.

Коэффициент усиления усилителя без обратной связи равен:

Отсюда:

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен

Из последнего выражения следует, что введение в усилитель обратной связи изменяет его коэффициент усиления в раз. Величину называют глубиной обратной связи. Произведение Определяет характер и численное значение обратной связи и называется петлевым усилением.

В зависимости от фазовых соотношений между входным и выходным напряжениями коэффициент усиления усилителя с обратной связью может принимать разные значения. Если фаза напряжения, поступающего на вход усилителя из цепи обратной связи, совпадает с фазой напряжения, поступающего на вход усилителя от источника сигнала, то произведение будет положительной вещественной величиной. Такая обратная связь называется положительной. При положительной обратной связи:

Из этой формулы видно, что увеличение положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. При коэффициент усиления становится равным бесконечности, а при - даже отрицательным. Физически это означает, что при отсутствии напряжения на входе усилителя имеется напряжение на выходе. Усилитель самовозбуждается и превращается в генератор.

Если фаза напряжения, поступающего на вход усилителя из цепи обратной связи, сдвинута на 180о по сравнению с фазой напряжения, поступающего на вход усилителя от источника сигнала, то произведение будет отрицательной вещественной величиной. Такая обратная связь называется отрицательной. При отрицательной обратной связи коэффициент усиления усилителя равен:

Из формулы видно, что введение в усилитель отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления. Это, естественно, является недостатком. Однако при этом становятся управляемыми и улучшаются другие параметры и характеристики усилителя. Поэтому отрицательная обратная связь широко используется, а требуемая величина коэффициента усиления достигается за счет введения дополнительных каскадов усиления.

2. ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЯ

Выясним, как изменяются при введении отрицательной обратной связи амплитудно-частотная характеристика, стабильность коэффициента усиления, величина входного и выходного сопротивлений усилителя. Ранее было показано, что - каскад имеет максимум коэффициента усиления в области средних частот и уменьшение коэффициента усиления в области низких и высоких частот. Ширина полосы пропускания усилителя определяется верхней и нижней граничными частотами, которые связаны с параметрами усилителя. Для - усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, коэффициент усиления в области высоких частот равен:

Числитель этого выражения - это коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью в области средних частот:

С учетом этого коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью в области высоких частот равен:

, где

Из выражения следует, что постоянная времени нагрузочной цепи усилителя, охваченного последовательной отрицательной связью по напряжению в () раз меньше постоянной времени нагрузочной цепи усилителя без обратной связи. Это означает, что верхняя граничная частота усилителя увеличивается в () раз, расширяя полосу пропускания усилителя.

В области низких частот коэффициент усиления - усилителя с отрицательной обратной связью равен:

Выражение в числителе - это коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью в области средних частот:

С учетом этого выражение для коэффициента усиления усилителя в области низких частот запишется в следующем виде:

, где

Таким образом, постоянная времени переходной цепи усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, в Раз больше постоянной времени усилителя без обратной связи. При этом нижняя граничная частота усилителя уменьшается в раз, то есть происходит расширение полосы пропускания в сторону низких частот.

Введение в усилитель отрицательной обратной связи уменьшает нестабильность коэффициента усиления, причиной которой являются факторы окружающей среды - время, температура, влажность, давление, оказывающие влияние на параметры активных и пассивных элементов. Для усилителя с обратной связью изменение коэффициента усиления оценивают относительной величиной при постоянной величине коэффициента обратной связи. Если по каким-либо причинам коэффициент усиления усилителя изменяется на величину , то коэффициент усиления усилителя с обратной связью также изменится на некоторую величину . Для усилителя с отрицательной обратной связью

Продифференцируем это выражение по , при :

Из этого выражения следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, уменьшаются пропорционально глубине обратной связи и равно

При глубокой отрицательной обратной связи и коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен:

Таким образом, при глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления не зависит от параметров усилителя, а определяется только параметрами цепи обратной связи.

Введение в усилитель отрицательной обратной связи изменяет величину его входного и выходного сопротивлений. Результаты влияния обратной связи на величину и приведены в таблице 1.

Таблица 1 Влияние отрицательной обратной связи на и

Из таблицы видно, что последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя пропорционально глубине обратной связи, а параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление пропорционально глубине обратной связи.

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя пропорционально глубине обратной связи, а отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя пропорционально глубине обратной связи.

Возможность увеличения входного сопротивления и уменьшения выходного сопротивления усилителя является важным свойством отрицательной обратной связи с точки зрения согласования каскадов усиления.

Типичными каскадами с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению являются эмиттерный и истоковый повторители. В этих каскадах имеет место 100% отрицательная обратная связь по напряжению. Такой вид обратной связи обусловливает высокое значение входного сопротивления и низкое значение выходного сопротивления этих каскадов, что позволяет использовать их в качестве согласующих каскадов.

Ниже приводятся схемы некоторых усилителей с различными видами отрицательной обратной связи. На рис.3 показана схема однокаскадного усилителя напряжения с последовательной отрицательной обратной связью по току. В этом усилителе ток коллекторной нагрузки, протекая через резистор обратной связи , преобразуется в напряжение, которое приложено к эмиттерному переходу транзистора в противофазе по отношению к напряжению, действующему на входе.

Рис.3. Усилитель с последовательной отрицательной обратной связью по току

На рис.4 показана схема усилителя напряжения с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению.

Рис.4. Усилитель с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению

В этом каскаде напряжение обратной связи, создаваемое на резисторе , поступает на базу транзистора в противофазе с напряжением, действующим на входе.

На рис.5 показана схема двухкаскадного усилителя напряжения с параллельной отрицательной обратной связью по току.

Рис.5. Усилитель с параллельной отрицательной обратной связью по току

В этом каскаде в базу первого транзистора втекает ток источника сигналов и ток обратной связи .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Головин О.В., Кубицкий А.А Электронные усилители. -- М.: Радио и связь, 1983.

2. Ефимчик М.К. Технические средства электронных систем: Учебное пособие. - М.: Тесей, 2006

3. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для вузов. -- М.: Высшая школа, 1988.

4. Мамонхин И.Г. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов.-- М.: Связь, 1977.

5. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для вузов. --М.: Радио и связь, 1985.

6. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов / Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов и др. -- М.: Высшая школа, 1987.

7. Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д. Петрухина.- М.: Издательство МАИ, 1993.

Размещено на Allbest.ru