Стабильность уровень помех и нелинейные искажения.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 4Следующая ⇒

1. Стабильность коэффициента усиления

; пусть определим отклонение

Рассмотрим ООС на СЧ пусть все вещественное

; Причина отклонения от могут быть любые

и.т.п.

Относительное отклонение коэффициента усиления с обратной связью

значительно меньше чем без нее.

2. АЧХ и динамические искажения.

3. Помехи. Рассмотрим, например, случай появления сигнала помеха в выходной цепи.

= без ОС

c ОС

при

; .

ООС

4. Нелинейные искажения.

Причина нелинейных искажений нелинейные свойства транзистора в рабочей точке

Для усилителя с ОС расширяется линейная часть передаточной характеристики, но уменьшается коэффициент усиления.

Недостатки ОС: 1) Снижения K усиления

2) Проблема фазы многокаскадных усилителей.

Устойчивость усилителей с ОС.

Критерий Найквиста

, если на некоторой частоте вещественен и положителен ( и при этом , то схема неустойчива. Для устойчивости, нужно, чтобы на было

Критерий Найквиста.

Проще всего провести аналитический анализ.

В самых сложных случаях строят годограф-след конца вектора при изменении частоты от 0 до

для Н.Ч. ОС усилителей при связь отрицательна

при схема неустойчива.

УПТ

( рис. годограф)

Если годограф охватывает точку (+1, 0)справа - неустойчивое состояние.

----------||----------- нет - устойчивая схема.

Однокаскадный усилитель с ООС на СЧ.

Re < 0 средн частота О.О.С

устойчиво всегда если же м.б.неустойчиво

для двух каскадного усилителя с общей ОС, охватывающей оба каскада.

м.б.неустойчивость

для обеспечения ООС требуются разные в зависимости от K

3-x каскадный усилитель СЧ

проблемы возникают или могут

возникнуть

3-х каскадный УПТ

1 каскад

3 каскад

вычтем 2

Глава3. Особенности построения различных типов усилителей.

Усилители постоянного тока.

Рассмотрим схему

Есть ООС

Рассмотрим численный пример:

Пусть

тогда

Пусть тогда

будет < 1 и ставить третий каскад бессмыслено-это 1-ая неприятность

2-ая -дрейф нуля. При надо сделать . Это можно сделать делителем на резисторах. C течением времени напряжение на выходе будет не 0 из-за изменений , старения и тп.

Способы борьбы с первой неприятностью: гасящее сопротивление

теряется и полезный сигнал

лучше вместо стабилитрон

мало

Дифференциальный усилитель

Вспомним предыдущую схему

Неприятности:

Как во входном, так и в выходном сигнале присутствуют постоянные составляющие напряжения, что осложняет работу схем связанных с усилителем во входной и выходной цепях.Они зависят от питания.Возможность устранить постоянную составляющую и зависимость от напряжения питания заложена в мостовой схеме.

Если и , то

при E питания и практически при Т

Возникла идея построения усилителя на 2-х транзисторах:

для работы этой схемы как дифференциального усилителя надо подавать напряжение на такие, что

Если , то и не зависит от напряжения питания и температуры. Для этого требуется полная симметрия схемы, только тогда и . Если симметрия полная . Для его уменьшения желательно увеличить , тогда за счет ООС . (одновременно увеличивается каждого транзистора).

Но при для рабочей точки надо . Можно обойти эту трудность поставив вместо генератор стабильного тока или заменяющий его транзистор

- простейший генератор стабильного тока (о других чуть позже )

Режимов работы диф.усилителя несколько:

1)противофазный

2)синфазный 3)однофазный (или наоборот)

Для каждого режима рассмотрим два варианта расположения выхода

а) симметричный

б)несимметричный

1)режим противофазный

без ОС (токи через не текут)

аналогично

симметричный выход

Коэффициент усиления разностного сигнала обозначим .

2)Синфазный режим

(в идеале)

; ;

при

Вводят такое понятие коэффициент ослабления синфазного сигнала

(синфазный сигнал – помеха)

Типовые значения

3)Однофазный режим

- рассмотрим этот режим (как и произвольный режим)

как суперпозицию первого и второго

а)синфазного

б)противофазного

итого =0

Соответственно получим напряжение на выходе (самостоятельно)

и коэффициент усиления(аналогично)

Источники стабильного тока

Токовое зеркало

мало

поэтому

меняем - меняется

задают другим каскадом

Операционный усилитель

ОУ – усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, несимметричным выходом (отдельная МС).

Первоначально изготавливался для аналоговых вычислительных машин для выполнения арифметических и интегродифферециальных операций.

Успехи интегральной техники сделали их дешевыми и широко распространенными во многих других приборах.

В современных ОУ

Для увеличения , используют составные транзисторы (супер-бета) транзисторы и полевые транзисторы во входных каскадах.

Чаще всего встречается трёхкаскадная схема (пример ОУ в микросхеме К140УД1)

токовое зеркало. Стабилизирует параметры, позволяет управлять током , увеличивает - есть ООС.

схема сдвига уровня

Потери сигнала малы если

эмиттерный повторитель

Устройства на базе ОУ.

(К153УД2)

Без ОС ОУ используется редко: нестабилен, склонен к самовозбуждению, разброс характеристик,

Реально более на ПТ

Применение обратной связи улучшает параметры и дает возможность создать различные устройства с требуемыми характеристиками.

Анализ упрощается при идеализации

следствия (т.к ),

(К не зависит от )

Отсюда следует принцип виртуального замыкания: , но одновременно ток не течет

для , для

1) Инвертирующий усилитель на ОУ.

, ,

Другой вариант расчета это ОС по И параллельная частично без идеализации

при

(по виртуальному замыканию) из обратной связи т.к. уменьшилось (не )

уменьшается при инвертор

2) Преобразователь источника тока в источник напряжения

Рассматривается аналогично поскольку

если не зависит от

3) Неинвертирующий усилитель

, , ,

, ( % ОС повторитель не требуется )

По ОС – последовательная ОС по напряжению

4) Усилитель тока параллельная ООС по току

не зависит от

5) Интегратор

6) Дифференциальная схема

7) Логарифмирующая схема

Находим элемент с логарифмической зависимостью от или от

Можно диод, но лучше транзистор

;

8) Потенцирующая схема (схема осуществляющая функцию exp(x))

;

9) Сумматор напряжений

т.к. , то ;

при ,

иначе сумматор с весовыми коэффициентами

10). Вычитание напряжений

при

11) Умножитель напряжений

Составьте схему на основе логарифмического, суммирующего и потенцирующего усилителей самостоятельно

Параметры реальных ОУ

1. Входные токи не равны нулю

при сопр.

Нейтрализация их (следующая схема)

В справочниках:

;

Для уменьшения входных токов используются полевые транзисторы

2. Входные напряжения смещения

Из-за разбалансировки при что эквивалентно смещению графика

3. Частотные характеристики ОУ

Каждый каскад имеет эквивалентную схему

;

На частотах близких к частоте единичного усиления

; ;

;

При введении ООС на НЧ она станет положительной на , где

Если при этом схема возбудится. Для того, чтобы этого не происходило осуществляют коррекцию – уменьшение так, чтобы на , тогда схема не возбуждается даже при

Обычно вводят в ОС одного из каскадов

для большое.

В результате АЧХ и ФЧХ всего ОУ определяется

при

при ; ; прямая линия

при изменении в 10 раз К меняется в 10 раз

на декаду; на октаву

K=1 частота единичного усиления

Для ОУ 153УД2, ; ;

Влияние ООС на АЧХ

; ; ; ;

;

при - как было без ОС

Расширение полосы получается за счет снижения К

Избирательные усилители

1) Резонансный усилитель на ПТ

Если

Эквивалентная схема если

при

а) Решение проблемы увеличения добротности неполное включение контура

б) Опасность самовозбуждения из-за

Каскодная схема

Опасности самовозбуждения нет

2) Полосовой усилитель

Схема аналогичная предыдущей, но в нагрузке установим связанные контура

Получим эквивалентную схему

Резонансные частоты контуров одинаковы (на резонансе и вблизи)

пусть

отсюда

Пусть теперь и характеристические сопротивления будут одинаковы, тогда

где коэффициент связи

Для усилителя , тогда коэффициент усиления на резонансной частоте

При

Усилитель мощности.

Обычно УМ устанавливается в выходные каскады. Коэффициент усиления для них не столь важен. Однако, требованием к этим каскадам является максимальная мощность для имеющихся транзисторов, отсутствие искажений(коэффициент гармоник ) и КПД.

Формула КПД обычная , а коэффициент гармоник ,
где - мощность к-той гармоники

В каскадах усилителей мощности транзистор работает, как правило, в нелинейном режиме. В зависимости от выбора режима постоянного тока различают класс А, В, С, АВ

Мы рассмотрим два класса (основных)

Класс А --- , но - плохо

Класс В --- , но - тоже плохо

Схема №1 Класс А

Обычная схема с ОЭ, нагрузка - сопротивление

будет max при: ,

для этого нужно сделать рабочую точку:

, , , отсюда - ,

тогда , -мало.

Если , а оно может быть только больше, тогда будет ещё меньше.

Потери на постоянном токе складываются из потерь в транзисторе и в

Реально сопротивление нагрузки и меньше, а может быть и Омы (динамик)

Решение – Схема №2

Схема №2 Трансформаторная схема, класс А

Где n число витков

даёт выигрыш, так как нет потерь мощности по постоянному току в нагрузке.

Здесь уравнение нагрузочной прямой определяется по переменному току

, тогда нагрузочная прямая занимает всю область допустимых токов и напряжений.

Схема №3 Трансформаторная схема, класс В

В рабочей точке в отсутствии полезного сигнала. Это хорошо, так как в состоянии покоя усилитель не потребляет тока. Но вместе с сигналом появляется и постоянная составляющая.

если

переменный ток .

Но будут и другие гармоники при разложении в ряд Фурье. Для улучшения качества сигнала их надо убрать. Можно использовать резонансную нагрузку (контур), но это усложняет конструкцию. Поэтому эта схема используется редко.

Схема №4 Двухтактный усилитель, класс В