Стабильность показателей АЭУ

Стр 1 из 34Следующая ⇒

Все технические параметры АЭУ являются величинами, изменяющиеся во времени. Источник изменения параметров АЭУ являются следующие факторы:

1. Производственный разброс технических параметров АЭУ.

2. Электрическая нагрузка АЭУ

3. Условия окружающей среды

4. Объективные процессы старения материалов из которых изготовлены АЭУ

Важнейшие показатели максимальной нестабильности нормируются техническими условиями. Обычно задается допустимая относительная нестабильность того или иного показателя к его номинальному значению.

Технические показатели и характеристики любых устройств, к сожалению, не остаются постоянными ввиду нестабильности параметров составляющих элементов: пра изменении температуры, напряжения и гока пи гения, а также от экземпляра к экземпляру (производственный разброс) и вследствие старения. Наиболее нестабильны параметры транзисторов. Для важнейших показателей максимальные нестабильности нормируются техническими условиями. Обычно задастся допустимая относительная нестабильность того или иного показателя, т. е. отношение абсолютного приращения данного показателя к его номинальному значению.

При отыскании нестабильности какого-либо технического показателя устройства принято использовать понятие чувствительности (параметрической),

которая по существу представляет отношение относительных нестабильностей интересующего нас показателяy н параметра х как источника нестабильности. Безразмерная величина называется чувствительностью показателяук изменению параметра х.

Интересующий нас показатель может быть не обязательно параметром устройства (например, коэффициентом усиления), но и какой-либо функцией (например, передаточной). В последнем случае чувствительность тоже является функцией. Частную производную ду/дх называют функцией чувствительности или коэффициентом влияния параметра х на величину y.

Тема 1.2 Методы обеспечения режима работы биполярных и полевых транзисторов в каскадах усиления

Занятие 1.2.1 Методы обеспечения режима работы транзистора в каскадах усиления (Лекция 4, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Схема с фиксированным током базы I_б

2. Схема с фиксированным напряжением U_БЭ

3. Схема с температурной коллекторной стабилизацией

4. Схема с температурной эмиттерной стабилизацией

1.2.1 Схема с фиксированным током базы

Рисунок 1.10 Схема с фиксированным током базы

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо установить определенные токи и напряжения в входной и выходной цепях транзистора при отсутствии входного сигнала. Такой режим называют статическим(режим по постоянному току, режим покоя). Значения постоянных составляющих токов и напряжений определяются источниками питания во входной и выходной цепях усилителя.

В практических схемах отдельный источник смещения во входной цепи используется редко, а вводятся дополнительные элементы смещения (обычно резисторы), на которые подается напряжение от источника смещения в выходной цепи. Рассмотрим основные способы обеспечения режима по постоянному току в схеме с ОЭ. Основным требованием при этом является обеспечение постоянства выбранного режима покоя при изменении температуры и замене транзистора.

В схеме на рис. 1.10 режим по постоянному току задается с помощью резисторов и источника питания. Смещение эмиттерного перехода осуществляется за счет протекания тока базы от источника питания через резистор . Уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:

При этом (эмиттерный переход открыт). Тогда

, (2.1)

откуда следует, что начальный ток базы не зависит от транзистора и определяется только внешними параметрам и . Поэтому такой метод обеспечения режима работы транзистора по постоянному току называется смещением фиксированным током базы.

Недостатками данной схемы являются:

1)трудность обеспечения режима покоя в выходной цепи при установке транзисторов с допустимым промышленным разбросом параметра без изменения сопротивления резистора :

(2.2)

Ток не зависит от параметров транзистора, а точка покоя в выходной цепи может оказаться или в области насыщения или вблизи границы режима отсечки;

2) не учитывается изменение обратного коллекторного тока транзистора от температуры. Схема с фиксированным током базы может быть использована для работы в диапазоне изменения температур, не превышающем 10...20 °С.

1.2.2 Схема с фиксированным напряжением база – эмиттер

Рисунок 1.11 Схема с фиксированным напряжением базы

В схеме на рис. Режим покоя обеспечивается фиксированным напряжением на базе транзистора с помощью источника питания и делителя из резисторов и .

Сопротивления резисторов и при заданном начальном токе базы , соответствующем напряжению , определяют по формулам

где — ток делителя, который выбирается из условия обеспечения необходимой стабильности режима работы; .

Напряжение

не зависит от параметров транзистора. В связи с этим такой способ задания режима по постоянному току называют смещением фиксированным напряжением базы.

С увеличением температуры токи и изменяются практически одинаково, что приводит к увеличению . Точка покоя перемещается в сторону режима насыщения. Для обеспечения температурной стабилизации усилительных каскадов используют обратные связи по постоянному току или постоянному напряжению, которые снижают действие дестабилизирующих температурных факторов.

1.2.3 Схемы с температурной стабилизацией

На рис. 1.12, а представлена схема с коллекторной стабилизацией. Ее отличие от схемы (рис. 1.10) состоит в том, что резистор подключен к коллекторному выводу транзистора с напряжением , а не к источнику питания. В этом случае ток смещения определяется так:

Физический смысл коллекторной температурной стабилизации заключается в следующем. При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, а напряжение уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциала базы, а следовательно, к уменьшению тока базы и коллекторного тока , который стремится к своему первоначальному значению. Таким образом, это существенно ослабляет влияние температуры на характеристики усилительного каскада.

схема с коллекторной температурной стабилизацией а)

б) схема с эмиттерной температурной стабилизацией

Рисунок 1.12 Схемы транзисторного каскада

Это приводит к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе, что вызывает уменьшение базового тока , в результате чего ток коллектора также уменьшается, стремясь возвратиться к своему первоначальному значению.

Введение резистора при отсутствии конденсатора изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного сигнала. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения, так называемое напряжение обратной связи(ОС), которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору:

Коэффициент усиления усилительного каскада будет уменьшаться. Для ослабления влияния отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору включается конденсатор . Ёмкость конденсатора выбирают таким образом, чтобы в полосе пропускания усилителя его сопротивление было значительно меньше . При этом падение напряжения на параллельном соединении и от переменной составляющей тока эмиттера будет незначительным.

Таким образом, режим покоя можно обеспечить:

· заданием требуемого тока базы с помощью резистора с большим сопротивлением (рис. 1.12, а);

· заданием потенциала базы с помощью делителя напряжения или получением за счет включения (1.12, б).

Раздел1.2.2 Стабильностьрежимов работы биполярных транзисторов (Лекция 5, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Стабильность рабочей точки биполярных транзисторов

2. Приращение тока коллектора I_к

3. Условия стабильности работы усилительных каскадов

1.2.4 Стабильность рабочей точки

Разброс параметров транзисторов одной серии значительно затрудняет проектирование стабильных усилительных устройств. Кроме того, параметры биполярных транзисторов сильно зависят от внешних факторов: изменения температуры, радиационного воздействия. Все это приводит к смещению рабочей точки на ВАХ.

Качество температурной стабилизации схемы определяется выбором положения исходной рабочей точки и ее стабильностью при изменении температуры. На положение рабочей точки при увеличении температуры сильное влияние оказывают: обратный ток коллекторного перехода , который возрастает; напряжение , которое уменьшается; коэффициент передачи тока базы, который также возрастает.

Поэтому температурную нестабильность схемы можно оценить полным приращением тока коллектора по формулам

(2.3)

(2.4)

Исходя из (2.14), запишем

(2.5)

Подставив в (2.15) значение приращения тока базы , получим уравнение

(2.6)

где – коэффициент токораспределения;

решив которое относительно найдем

(2.7)

Величину называют коэффициентом температурной нестабильности.

Коэффициент температурной нестабильности показывает, во сколько раз изменение тока покоя больше в данном каскаде, чем в идеальном стабилизированном устройстве. Чем меньше S, тем стабильнее усилительный каскад.

Учитывая, что полное приращение коллекторного тока с учетом коэффициента нестабильности будет равно

(2.8)

Формула (2.18) может быть использована для определения усилительного каскада для любой схемы включения биполярного транзистора.

Выполнив анализ коэффициента нестабильности, получим предельные значения S. При каскад будет обладать наилучшей стабильностью, а при — плохой. Таким образом, в зависимости от соотношения и значение коэффициента температурной нестабильности изменяется от до. Следовательно, для получения максимальной стабильности нужно стремиться к выполнению условия или к выполнению неравенства

(2.9)

Условие (2.9) является желательным при создании стабильных усилительных каскадов, однако уменьшение значения сопротивления ограничивается снижением входного сопротивления каскада. На практике удовлетворительные результаты получаются при , которым соответствуют 5и .

Приращение коллекторного тока за счет изменения напряжения учитывается в (2.8) слагаемым , причем , где –ТКН, являющийся отрицательной величиной, что учитывается в выражении (2.8) знаком минус перед . Это указывает на то, что с ростом температуры изменение приводит к уменьшению приращения коллекторного тока.

Изменение коллекторного тока за счет приращения коэффициента усиления транзистора по току учитывается , обычно

1.2.5 Способы задания режима покоя в усилительных каскадах на полевых транзисторах

а)

б)

Рисунок 1.13 Схемы обеспечения режима покоя усилительного каскада на полевых транзисторах: а, в - с управляющим p-n

переходом; б – со встроенным каналом; г – с индуцированным каналом

В схе*мах на полевых транзисторах режим покоя задается с помощью падения напряжения на резисторе, включенном в цепь истока, или подачей на затвор дополнительного напряжения. На рис. 1.13 представлены схемы подачи напряжения смещения на полевые транзисторы. В усилителях на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом и с встроенным каналом (рис.2.4, а, б) режим покоя обеспечивается за счет резистора, включенного в цепь истока.

Так как ток затвора этих транзисторов очень мал, то мало и падение напряжения на резисторе . На практике принято считать, что напряжение практически равно падению напряжения на резисторе : . Сопротивление резистора включенного параллельно большому входному сопротивлению усилителя, должно быть соизмеримо с ним. Его выбирают из диапазона от единицы до десятков МОм.

Резистор , кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет функцию термостабилизации режима работы по постоянному току, стабилизируя . Чтобы исключить падение напряжения на резисторе за счет переменной составляющей тока стока, его шунтируют емкостью . Сопротивление конденсатора во всей полосе пропускания усилителя должно быть значительно меньше .

Часто для работы транзистора на участке с большой крутизной характеристики на затвор подают дополнительное отпирающее напряжение с помощью делителя (рис. 1.13, в).

При использовании в усилительных устройствах полевых транзисторов с индуцированным каналом (рис. 1.13, г) принципиально необходима подача напряжения смещения от внешнего источника, ибо при его отсутствии транзистор будет закрыт. Температурная стабилизация осуществляется за счет элементов .

Раздел 1.2.3 Обратные связи в АЭУ (Лекция 6, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Классификация видов обратных связей

2. Последовательная обратная связь по напряжению

3. Последовательная обратная связь по току

4. Свойства параллельной обратной связи

5. Паразитные обратные связи

1.2.6 Обратные связи в усилителях

_вх

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAr60Ku8UA AADdAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbESP3WoCMRSE7wt9h3AE72riilJXoxSpohct1O4DHDZn f3BzsiSpbvv0plDo5TAz3zDr7WA7cSUfWscaphMFgrh0puVaQ/G5f3oGESKywc4xafimANvN48Ma c+Nu/EHXc6xFgnDIUUMTY59LGcqGLIaJ64mTVzlvMSbpa2k83hLcdjJTaiEttpwWGuxp11B5OX9Z DZWS9F5Mf17Lt0VVZSeT7Qp/0Ho8Gl5WICIN8T/81z4aDTO1nMPvm/QE5OYOAAD//wMAUEsBAi0A FAAGAAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54 bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJl bHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBl eG1sLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQCvrQq7xQAAAN0AAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMv ZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAigMAAAAA "/>

_вх

_вых

𝑼 _вых

_ос

Рисунок 1.14 Структурная схема усилителя с обратной связью

Для улучшения стабильности усиления, изменения входного и выходного сопротивлений, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров вводят обратную связь. Обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь, по которой осуществляется передача сигнала ОС, называется цепью обратной связи. Петлей ОС называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. Местной петлёйОС (местной ОС) называют ОС, охватывающую отдельные каскады или часть усилителя. ОбщаяОС охватывает весь усилитель.

Упрощенная структурная схема усилителя, с обратной связью показана на рис.1.14. Усилитель имеет в направлении, указанном стрелкой, коэффициент усиления . Другим прямо угольником обозначена цепь ОС, имеющая коэффициент передачи , где — напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. Коэффициент показывает, какая часть выходного напряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно , поэтому вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырёхполюсник. Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи цепи ОС в общем случае являются величинами комплексными, учитывающими возможный фазовый сдвиг на низких и высоких частотах за счет наличия в схемах реактивных элементов. При работе в диапазоне средних частот, если в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то параметры и являются вещественными величинами.

Рисунок 1.15 Способы получения сигнала обратной связи:

а – по напряжению; б – по току; в - комбинированный

Если напряжение совпадает по фазе с выходным напряжением , то в точке сравнения происходит сложение сигналов и ОС называют положительной (ПОС). Если и противофазны (поворот фазы сигнала ), то в точке сравнения происходит их вычитание и ОС называют отрицательной (ООС).

По способу получения сигнала различают:

- обратную связь по напряжению (рис. 1.15, а), когда сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению ;

- ОС по току (рис. 1.15, б), когда сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи;

- комбинированную обратную связь (рис.2.6, в), когда снимаемый сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.

Рисунок 1.16 Способы введения сигнала обратной связи на вход усилителя:

а – последовательный; б – параллельный; в - смешанный

По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратная связь бывает:

- последовательной (рис. 1.16, а) — напряжение ОС поступает последовательно с напряжением источника входного сигнала;

- параллельной (рис.1.16, б) — напряжение ОС поступает параллельно с напряжением источника входного сигнала;

- смешанной (рис.1.16, в).

Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току; если же оно стремится к нулю, то по напряжению.

Поскольку в усилителях обычно используются каскады ОЭ, ОК, ОИ, ОС, то можно просто определить вид ОС по способу подачи ее сигналов во входную цепь. Если сигнал обратной связи поступает на эмиттер (или исток) транзистора, то связь последовательная, а если на базу (или затвор), то параллельная. Для определения вида обратной связи (ООС, ПОС) необходимо просмотреть прохождение полуволны входного сигнала во всех точках схемы усилителя.

Отрицательная обратная связь позволяет улучшить некоторые параметры усилителя, поэтому она нашла на практике преимущественное применение. Оценку влияния обратной связи на показатели усилителя рассмотрим на примере схемы с последовательной обратной связью по напряжению (рис. 1.16, а).

1.2.7 Последовательная обратная связь по напряжению

На входе усилителя действует алгебраическая сумма напряжений входного сигнала и ОС

(2.10)

Напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью, равно

(2.11)

Разделив обе части уравнения (2.11) на , получим

(2.12)

Это соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя , охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью. Величина характеризует усиление и характер петли обратной связи. Величину называют глубиной обратной связи.

Поскольку в общем случае и , где и – фазовые сдвиги напряжения сигнала, вносимые соответственно усилителем и звеном обратной связи, выражение (2.12) можно записать в виде

(2.13)

При ; , т.е. если коэффициент обратной связи есть величина вещественная и отрицательная, получим

(2.14)

Таким образом, если сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе с входным сигналом, то коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз. Такую обратную связь называют отрицательной.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления , в том числе связанных с неравномерностью частотной характеристики; расширяет полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот; уменьшает частотные искажения. ООС уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Если при ООС , то говорят, что усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью

2.15)

В этом случае коэффициент усиления усилителя определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи и не зависит от собственного коэффициента усиления усилителя.

Если величина вещественная и положительная, то сигнал обратной связи совпадает по фазе с входным, усилитель охвачен положительной обратной связью. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в раз. При в усилителе возникают условия для самовозбуждения усилителя охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашёл применение в генераторах напряжения.

Сущность самовозбуждения заключается в следующем: любой малый входной сигнал, вызванный наводками или колебаниями параметров активных элементов, усиливается и возвращается обратно на вход усилителя. Суммируясь с входным сигналом, он вызывает появление большого входного сигнала. В реальных усилителях наступает ограничение выходного сигнала, появляются незатухающие колебания.

Положительная обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления, в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом стабильность его усиления значительно ухудшается.

Для качественной оценки действия цепи обратной связи определим стабильность коэффициента усиления усилителя с обратной связью. Для этой цепи продифференцируем выражение (2.15)

(2.15)

тогда относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется, как

(2.16)

Отсюда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.

Рисунок 1.17 Амплитудно-частотная характеристика

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒