Влияние обратной связи на работу усилителя

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 24Следующая ⇒

В случае, когда колебания источника сигнала и колебания, поступающие через цепь обратной связи, совпадают по фазе, обратная связь называется положительной, если же эти колебания находятся в противофазе - то отрицательной. В усилительных устройствах для улучшения их показателей применяется в основном отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь находит применение только в специальных типах усилителей и в генераторах. Оценим влияние обратной связи на основные технические показатели усилителя: коэффициент усиления, искажения, входное и выходное сопротивления, стабильность выходного сигнала. Рассмотрим влияние обратной связи на коэффициент усиления на примере обратной связи по напряжению (рис. 6.12).

Рис.6.12. Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению (рисунок выполнен авторами)

Влияние отрицательной обратной связи (ООС) на параметры усилителя зависит от вида связи. При последовательной ООС коэффициент усиления тока K_I не изменяется. Коэффициент усиления напряжения определяется из выражения:

К_оос = К / (1 + β К),

где К - коэффициент усиления напряжения без ООС, (1 + β К) - глубина обратной связи. Входное сопротивление усилителя с последовательной ООС определяется из выражения:

Z_вх.оос = Z_вх(1 + β K)

При параллельной ООС коэффициент усиления напряжения не изменяется, коэффициент усиления тока уменьшается в (1 + β K_I) раз, входное сопротивление уменьшается в (1 + β K) раз.

Влияние ООС на выходное сопротивление усилителя определяется только способом снятия ОС с выхода усилителя, т. е. зависит от вида связи - по току или по напряжению. При введении ООС по току выходное сопротивление увеличивается, по напряжению - уменьшается.

При введении частотно-независимой ООС по напряжению стабилизируется выходное напряжение, и как следствие, уменьшается неравномерность АЧХ. При помощи частотно-зависимой ООС можно придать АЧХ усилителя различную форму.

При введении последовательной ООС по напряжению уменьшается коэффициент гармоник при условии, что ОС является отрицательной как для первой, так для высших гармоник сигнала. Если для какой-либо высшей гармоники ОС окажется положительной, например, вследствие фазовых сдвигов на высших частотах, коэффициент гармоник может возрасти. Следует помнить, что введением ООС нельзя сделать искажения меньшими, чем они были на входе усилителя. Уровень собственных шумов усилителя при введении ООС также уменьшается.

Устойчивость усилителя с ООС зависит от коэффициента усиления и коэффициента передачи цепи обратной связи, т. е. от глубины ООС. При глубокой ООС фазовые сдвиги на низших и высших рабочих частотах обуславливают появление положительной ОС (ПОС), которая вызывает неустойчивость работы усилителя, а иногда и самовозбуждение. Из-за этого в усилителях с глубокой ООС необходимо расширять диапазон частот с линейной фазо-частотной характеристикой.

Использование положительной обратной связи позволяет повысить коэффициент усиления или получить отрицательное выходное сопротивление усилителя, что приводит к улучшению работы акустических систем (АС). Одновременно с ПОС необходимо обязательно применять ООС, иначе работа усилителя будет неустойчивой (Обратные связи в усилителях).

Искажения в усилителях

Выходной сигнал любого реального усилителя всегда несколько отличается от усиливаемого оригинала. Связано это с неидеальностью усилителя, и конкретно - с наличием в нем искажений. Все существующие в усилителях искажения усиливаемого сигнала можно разделить на две большие группы - линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. При наличии в усилителе линейных искажений сигнала, амплитудная характеристика не претерпевает никаких искажений. Тем не менее, линейные искажения, разумеется, искажают усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики усилителя и нелинейности его фазо-частотной характеристики. В связи с этим, линейные искажения часто называют частотными. Главным признаком линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. В результате влияния линейных искажений, могут лишь изменяться уровни его отдельных спектральных (частотных) составляющих.

В отличие от линейных, нелинейные искажения вызывают нарушение линейности амплитудной характеристики усилителя. Искажения амплитудной характеристики усилителя приводят к существенным искажениям амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале и могут вызывать значительные изменения его формы. В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения всегда приводят к появлению в выходном сигнале дополнительных спектральных (частотных) составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Если линейные искажения изменяют основном окраску звука, то проявление нелинейных искажений еще более пагубно, поскольку они приводят к существенным изменениям усиливаемого сигнала.

Поскольку, нелинейные искажения проявляются в появлении в выходном сигнале новых спектральных составляющих, многие методики оценки этих искажений заключаются в оценки уровней этих составляющих. Также существуют методики измерений, основанные на оценке кривизны амплитудной характеристики усилителя.

Линейные искажения

Отклонения частотных характеристик от идеальных в рабочем диапазоне частот называются частотными искажениями. Мерой частотных искажений является нормированное (относительное) усиление на границах рабочего диапазона частот, которое определяется как отношение коэффициента усиления на границе рабочего диапазона (K_н, K_в ) к коэффициенту усиления на средней рабочей частоте (K₀):

G_н =K_н /K₀, G_н [дБ] = 20lgK_н/K₀;

G_в =K_в /K₀, G_в [дБ]= 20lgK_в/K₀.

Часто используют величину, обратную нормированному усилению. Она носит название коэффициента частотных искажений:

M_н =1/G_н, M_в = 1/G_в.

Вследствие отклонения реальной фазочастотной характеристики усилителя от идеальной в нем имеют место фазовые искажения. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. В результате такого неодинакового сдвига по фазе отдельных гармоник форма сигнала на выходе усилителя может стать существенно отличной от формы входного сигнала. Если вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте n -й гармоники пропорционален частоте φ _n = nω τ , то сигнал на выходе усилителя окажется смещенным во времени на величину t. Ее называют временем задержки или временем фазового пробега. Таким образом, если φ _n - вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте n -й гармоники пропорционален частоте (φ _n =nω τ ), то взаимное расположение гармоник, а следовательно, и форма сигнала не подвергаются изменению.

На практике можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным частотной и фазовой характеристикам в полосе пропускания Δ f = f_в -f_н, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала (Параметры усилителей).

Нелинейные искажения

Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности передаточных характеристик электронных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе (в реальных усилителях они есть всегда) на его выходе возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие во входном сигнале.

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник):

, где

U_1m, U_2m, U_3m, U_nm - амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. Например, для усилителей низкой частоты простейшей бытовой радиоаппаратуры максимальным приемлемым уровнем можно считать 15...20%, а для высококачественных усилителей современной стерео аппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или даже сотые доли процента.

Еще один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в выходном сигнале т.н. комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в том числе и первыми) гармониками различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имеют значение интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если f₁и f₂ - частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго порядка обусловлены наличием на выходе усилителя сигналов с частотами f₁ ±f₂ а интермодуляционные искажения третьего порядка - с частотами

2f₁ ±f₂ и 2f₂ ± f₁).

Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превышающей уровень собственных шумов усилителя. В реальных схемах интермодуляционные искажения второго порядка часто растут медленнее интермодуляционных искажений третьего прядка. При исследовании усилителей вводится понятие динамического диапазона по интермодуляции, т.е. диапазона уровней мощности входного сигнала, в котором обеспечивается его " безынтермодуляционная" обработка. Снизу такой диапазон ограничен уровнем собственных шумов усилителя. А вот его верхняя граница определяется как точка, в которой уровень соответствующих интермодуляционных помех становится выше уровня собственных шумов, т.е. эти помехи начинают оказывать на выходной сигнал влияние большее, чем собственные шумы (Параметры усилителей).

Усилители низкой частоты

Основной задачей низкочастотных усилителей обычно является усиление сигналов звуковой частоты (10...20000 Гц) в различных устройствах промышленной и бытовой радиоаппаратуры. Важнейшими характеристиками таких усилителей являются выходная мощность и уровень нелинейных искажений.

В УНЧ все вносимые в сигнал изменения, которые могут произойти на этапе усиления входного сигнала, будут в точности воспроизводиться на выходе. В низкочастотных усилителях очень большее значение имеют вопросы оптимального выбора и обеспечения стабильности рабочей точки, температурного режима и защиты элементов усилителя от повышенных токов и напряжений.

Обычным схемотехническим решением для любых высокочастотных схем является включение в цепи прохождения сигналов конденсаторов, которые имеют низкое сопротивление на частоте сигнала и высокое на низких частотах. Это позволяет отделить полезный высокочастотный переменный сигнал от постоянной составляющей, которая не проходит через конденсатор. Таким образом, в высокочастотных усилителях мы можем проектировать цепи смещения и цепи протекания полезного сигнала совершенно отдельно друг от друга.

В низкочастотных каскадах любой конденсатор и любая индуктивность неизбежно окажут некоторое влияние на полезный сигнал. Иногда таким влиянием можно пренебречь. Но если мы хотим добиться достаточно качественного звучания, то приходится постоянно помнить о наличии данной проблемы. Цепи смещения и цепи протекания полезного сигнала в низкочастотных усилительных каскадах оказываются в значительной степени совмещенными (а в усилителях постоянного тока они полностью совмещены), т.е. они должны проектироваться так, чтобы вносимые ими в полезный сигнал искажения были минимальными. Но совершенно избавиться от этих искажений мы не в состоянии. Поэтому в низкочастотные усилительные каскады очень часто включаются специальные корректирующие цепи, которые не оказывают влияния на режимы работы транзисторов по постоянному току, но исправляют некоторые важнейшие параметры, отражающие работу на переменном сигнале (к таким параметрам в первую очередь относятся: частотная и фазовая характеристики каскада, входное и выходное сопротивление, динамический диапазон и т.п.).

В низкочастотных усилителях цепи коррекции обычно включаются в виде разнообразных внутри- или междукаскадных обратных связей. При этом могут использоваться как уже имеющиеся в каскаде цепи обратной связи, образованные элементами смещения, так и новые цепочки, работающие только для переменной составляющей входного сигнала. Для коррекции на низких частотах обычно применяются различные RC -цепочки.

Желание добиться минимального уровня искажений в низкочастотных усилителях приводит нас к еще одной проблеме. Эффективность простейших решений усилительных каскадов на биполярных транзисторах с точки зрения отношения потребляемой каскадом мощности к мощности добавляемой к усиливаемому сигналу очень низка. Это не имеет особого значения для маломощных схем в каскадах предварительного и промежуточного усиления, но в выходных каскадах усиления мощности данная проблема становится основной, ограничивающей возможность достижения приемлемых показателей.

Для ее решения:

во-первых, используются специальные виды усилительных каскадов (например, двухтактный каскад), в которых удается поднять КПД до приемлемого уровня;
во-вторых, вводятся дополнительные элементы, предназначенные для снижения уровня нелинейных искажений, неизбежно нарастающего, когда транзистор выходит за пределы режима линейного усиления (а это приходится делать для повышения КПД схемы).

Кроме этого, в усилителях мощности (да и вообще в низкочастотных усилителях) мы часто сталкиваемся с такой проблемой. Напряжения и токи переменных сигналов, протекающие в усилительных каскадах, зачастую сравнимы с допустимыми для применяемых транзисторов предельными электрическими показателями. Также и напряжение источника питания, требуемое для таких усилителей оказывается достаточно высоким. Т.е. нам бывает трудно (а иногда и невозможно) удержать транзистор в режиме линейного усиления, когда сигналы на его электродах близки к предельно допустимым. Все это вынуждает включать в схемы усилителей специальные элементы защиты, предотвращающие выход транзисторов из строя в результате превышения разрешенных режимов, а также строго следить за температурным режимом усилителя и, если необходимо, осуществлять коррекцию рабочих точек по постоянному току.

Предварительные усилители

Предварительный усилитель мощности звукового сигнала представляет собой электронный стерео или моно усилитель слабого сигнала для дальнейшего его усиления или последующей обработки.

Для уменьшения электромагнитных наводок и помех предварительный усилитель часто размещают в непосредственной близости к источнику сигнала (микрофон, телефон, MP3 плеер), вследствие чего сигнал передается по кабелю практически без потери качества.

Основная функция предварительного усилителя - усиление слабого сигнала до уровня сигнала в линии. Слабый сигнал может приходить с микрофонов, проигрывателей, приёмников, сотовых телефонов, аудио плееров и т.д. Предварительный усилитель мощности звукового сигнала состоит из коммутатора входов, регулятора громкости и выходного усилителя, который обеспечивает для любого источника напряжение на выходе 1 - 2 В. Очень часто предусилители снабжаются регулятором тембра, возможна отключаемая тонкомпенсация. Предварительный усилитель используется и в аудио системах, где его роль заключается в подготовке сигнала для дальнейшего усиления. Может быть как отдельным устройством, так и частью более сложной акустической системы. Важной характеристикой предварительных усилителей устройств является количество микрофонных и линейных входов, что указывает на количество источников сигнала, которые можно подключить к предварительному усилителю. Неоспоримым плюсом предварительных усилителей считается дополнительный регулируемый выход и индикатор уровня выходного сигнала (Предварительные усилители мощности).

Рис.6.13. Предварительный усилитель с балансными входами.

Усилители мощности

Усилитель мощности - это часть полного усилителя, выполненная в отдельном корпусе и отвечающая за усиление сигнала поступающего от предварительного усилителя и его дальнейшую передачу на акустические системы или на исполнительное устройство. Задача усилителя мощности усилить сигнал до значения, которое позволит подключённым акустическим системам воспроизвести его с заданной (достаточной) громкостью, либо будет достаточно для управления исполнительным механизмом. Усилители мощности, как правило, не имеют каких-либо настроек, все регулировки в звуковых усилителях мощности, в том числе и управление уровнем громкости производятся с подключённого к нему предварительного усилителя, в то время как сам выходной усилитель всегда работает на полную мощность. Усилители мощности могут быть собраны как на транзисторах или лампах, так и на интегральных микросхемах (Усилитель мощности).

Рис.6.14. Усилитель мощности.

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒