Самовозбуждение усилителей с ОС

Чтобы усилитель самовозбудился, т.е. перешел в режим генерирования, должны одновременно выполняться 2 условия:

1. Баланс фаз – фазовый сдвиг, вносимый усилителем, должен быть кратен , т.е.: , где n – целое число.

В этом случае ОС становится положительной, т.к. напряжение обратной связи совпадает по фазе с входным напряжением.

2. Баланс амплитуд – ОС должна быть достаточно глубокой – такой, чтобы энергия цепи ОС компенсировала бы потери в схеме.

Связь будет достаточно глубокой, если коэффициент усиления усилителя с положительной ОС будет стремиться к бесконечности ( ∞ ).

Если учесть, что (3),

где – коэффициент усиления усилителя без ОС;

– коэффициент передачи цепи ОС,

то выражение (3) будет стремиться к бесконечности, если , т.е. .

Таким образом, для того, чтобы ОС была достаточно глубокой, необходимо, чтобы петлевое усиление стремилось к единице.

При выполнении обоих условий усилитель превращается в источник незатухающих колебаний – генератор (наступает явление самовозбуждения, и усилитель теряет устойчивость).

Специально в усилитель ПОС не вводят, но как паразитная она может возникнуть (через общий источник питания, электро-магнитные поля, паразитные емкости и т.д.).

Питание усилителей по постоянному току

Прямое напряжение на эмиттерный переход (напряжение смещения) может быть подано двумя способами:

Смещение фиксированным током базы

Назначение элементов:

- усилительный элемент;

- источник энергии для получения усиленных колебаний на выходе;

- сопротивление коллекторной нагрузки (на нем выделяется усиленный сигнал);

- гасящее сопротивление (на нем гасится избыточное напряжение источника питания);

- разделительный конденсатор (не пропускает на вход усилителя постоянную составляющую тока);

- разделительный конденсатор (не пропускает на выход усилителя постоянную составляющую тока).

2-й закон Кирхгофа для входной цепи:

(*)

(Индекс «А» означает, что ток и напряжение определены в рабочей точке А, т.е. являются постоянными.)

Т.к. напряжение смещения - прямое напряжение, подаваемое на ЭП (< 1В), а напряжение источника питания велико (например, 12В), то чтобы получить малое напряжение смещения, необходимо избыточное напряжение источника питания где-то “погасить”.

В данном случае избыточное напряжение источника питания гасится на резисторе - отсюда и название резистора – “гасящий”.

Т.к. ток базы мал, то чтобы погасить достаточно большое напряжение, гасящий резистор должен быть высокоомным (может достигать Мом).

Почему схема называется “смещение фиксированным током базы”? Рассмотрим выражение (*). Т.к. (мало), а падение напряжения на гасящем сопротивлении велико ( ), то выражение (*) можно переписать:

Анализируем последнее выражение: , т.е. имеет фиксированное значение, отсюда и название схемы.

Смещение фиксированным напряжением

Назначение элементов:

- см. предыдущую схему;

- низкоомный резистор, с помощью которого подается прямое напряжение на ЭП транзистора (напряжение смещения );

- гасящее сопротивление (на нем гасится избыточное напряжение источника питания). 2-й закон Кирхгофа для входной цепи:

(**)

- ток делителя

Чтобы , выбирают (***).

Почему схема называется “смещение фиксированным напряжением”?

С учетом неравенства (***) в выражении (**) можно пренебречь током базы ( ), т.е. или

Анализируем последнее выражение: , т.е. имеет фиксированное значение – отсюда и название схемы.

Стабилизация режима работы усилителя

Причины нестабильной работы:

1. Нестабильность напряжения источника питания (ИП).

2. Разброс параметров транзистора (при смене транзистора трудно подобрать два одинаковых по своим параметрам транзистора).

3. Старение элементов.

4. Главная причина – изменение температуры окружающей среды.

Эмиттерная стабилизация

Стабилизирующим элементом в этой схеме является резистор .

Принцип работы:

С ростом температуры все токи транзистора увеличиваются, рабочая точка (РТ) смещается вверх по нагрузочной прямой – режим работы усилителя нарушается.

Но с ростом тока эмиттера растет падение напряжения U_Э на резисторе ( ), что приводит к уменьшению напряжения смещения .

2-й закон Кирхгофа для участка цепи:

сonst

(слабо зависит от температуры)

Уменьшение напряжения смещения сопровождается закрыванием транзистора, в результате чего все токи его уменьшаются, т.е. РТ возвращается в исходное состояние – режим стабилизируется.

В схеме действует ООС по току за счет наличия резистора , который относится и к входной и к выходной цепям одновременно, в результате чего часть мощности выходного сигнала поступает на вход схемы. Причем, через этот резистор протекает как постоянный, так и переменный токи, т.е. действует ООС как по постоянному, так и по переменному токам.

ООС по постоянному току желательна, т.к. за счет нее происходит стабилизация рабочего режима.

ООС по переменному току нежелательна, т.к. происходит потеря на

резисторе переменного (полезного) напряжения, что ведет к уменьшению коэффициента усиления по напряжению .

Для уменьшения ООС по переменному току параллельно подключают конденсатор большой емкости.

Чтобы переменный ток не протекал через , необходимо выполнение условия: . Если это неравенство выполняется, то тогда переменный ток будет протекать через конденсатор , т.е. нежелательные потери полезного сигнала будут минимальны.

Таким образом, роль блокировочного конденсатора - исключить (уменьшить) ООС по переменному току. Другими словами: блокировочный конденсатор обеспечивает нулевой потенциал эмиттера для переменного тока.

Коллекторная стабилизация

Стабилизирующими элементами в данной схеме являются резисторы . Принцип работы:

С ростом температуры все токи транзистора увеличиваются, рабочая точка (РТ) смещается вверх по нагрузочной прямой – режим работы усилителя нарушается.

Но рост токов и сопровождается ростом падения напряжения на резисторе , что приводит к уменьшению выходного напряжения .

2-й закон Кирхгофа для выходной цепи:

const

В схеме присутствует ООС (за счет наличия ). Т.к. выходное напряжение уменьшилось, то уменьшится и напряжение обратной связи , поскольку оно является частью выходного напряжения, что, в свою очередь, приведет к уменьшению тока : ( ; )

Если один из токов транзистора уменьшается, то автоматически уменьшаются и два других тока (в данном случае ):

;

Таким образом, РТ возвращается в исходное положение – режим работы усилителя стабилизируется.

Анализ АЧХ ШПУ

Рассмотрим ШПУ с эмиттерной стабилизацией:

- входное сопротивление следующего каскада. Если следующий каскад точно такой же, то .

, где

- паразитная емкость нагрузки;

- выходная емкость данного каскада;

- входная емкость следующего каскада.

АЧХ такого усилителя: К_U идеальная АЧХ

К_U₀

реальная АЧХ

0 f

На средних частотах АЧХ реального и идеального усилителя совпадают, т.е. амплитудно-частотные искажения (АЧИ) отсутствуют. На нижних и верхних частотах наблюдаются завалы АЧХ, говорящие о присутствии АЧИ.

Факторы, оказывающие влияние на АЧХ в области НЧ и ВЧ:

· частотные свойства самого транзистора;

· наличие элементов схемы, обладающих реактивным сопротивлением (в данном случае – это );

· наличие паразитной емкости нагрузки .

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 9 Следующая ⇒