Стабилизация рабочей точки и ООС – для новичков в радиоделе

April 9, 2014 by admin Комментировать »

Вернёмся к одной из схем стабилизации рабочей точки

Рис 61 Схема стабилизации рабочей точки

Рассмотрим падение напряжения на резисторе  R4 Падение  напряжения происходит при протекании тока эмиттера транзистора Q1 через резистор Ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора: Iэ = Iк + Iб между током коллектора и током базы есть соотношение: Iк = B*Iб, то есть, подставив это соотношение в предыдущее выражение, мы получим: Iэ = B*Iб + Iб = (B + 1)*Iб Таким образом, ток эмиттера, следовательно, и падение напряжения на резисторе R4, отражает весь процесс усиления на резисторе R4 падает часть выходного напряжения

Вместе с тем, входное напряжение для транзистора – это напряжение, прикладываемое между его базой и эмиттером А это напряжение формируется напряжением источника сигнала V2 и падением напряжения на резисторе R4 При этом падение напряжения на резисторе R4 вычитается из напряжения источника V2: положим, что V2 это просто батарейка, плюс которой приложен к базе Q1, а минус к общему проводу ток через резистор R4 протекает от эмиттера к общему проводу мы можем записать, что V2 = Vэ-б + VR4, или Vэ-б = V2 – VR4

В итоге можно сказать, что часть выходного напряжения попадает на вход, а мы имеем дело с обратной связью

Немного понятнее было бы, если нарисовать схему следующим образом:

Рис 62 Введение обратной связи

На этом рисунке видно, что выходной сигнал, снимаемый с коллектора транзистора, делителем R5R4 делится, и часть его попадает на вход К сожалению, то, что легче понять, не всегда лучше работает

Мы выяснили, что эта часть выходного сигнала вычитается из сигнала на входе усилителя, в этом случае обратная связь называется отрицательной обратной связью (ООС) Мы могли бы вспомнить и тот факт, что напряжение на коллекторе транзистора противофазно входному напряжению, и обратная связь, осуществляемая сигналом противофазным входному, опять-таки получается отрицательной

Посмотрим, как отрицательная обратная связь меняет свойства усилителя

Рис 63 Усиление каскада без отрицательной обратной связи

Напряжение (амплитудное) источника 10 мВ, напряжение на выходе несколько больше 1 В То есть, коэффициент усиления по напряжению 1000/10 = 100

Повторим этот эксперимент, добавив резистор отрицательной обратной связи

Рис 64 Усиление каскада с отрицательной обратной связью

Напряжение источника сигнала осталось прежним, а выходное напряжение, как показано на рисунке, уменьшилось до 50 мВ Таким образом, коэффициент усиления стал равен 5 (попутно отметим, что это число мы получим, если разделим сопротивление R2 на R4)

Так зачем нам эта связь От усилителя нам требуется усиление, а оно явно стало меньше

Это так Но, разбираясь с рабочей точкой, мы выяснили, что добавленный резистор стабилизирует рабочую точку транзистора Это раз

Теперь  повторим  предыдущие  эксперименты,  но  определять  будем  не  усиление,  а  верхнюю граничную частоту каскада

Рис 65 Амплитудно-частотная характеристика без обратной связи Введём сопротивление обратной связи

Рис 66 АЧХ усилителя с обратной связью

Сравнение частотных характеристик в обоих случаях показывает, что вторая схема имеет более широкую полосу пропускания за счёт более высокой верхней граничной частоты

Если вы помните, ранее мы использовали треугольные импульсы для проверки линейности преобразования Попробуем повторить этот эксперимент

Рис 67 Сравнение выходных треугольных импульсов

Первая диаграмма относится к усилителю без отрицательной обратной связи, вторая к усилителю с отрицательной обратной связью Не очень показательно, но заметно, что форма импульса на второй диаграмме лучше

Таким образом, отрицательная обратная связь улучшает линейность преобразования входных сигналов в выходные

Линейность преобразования ответственна за появление нелинейных искажений В одних усилителях это важно, в других нет Например, входной усилитель радиоприёмника менее чувствителен к появлению нелинейных искажений, чем звуковой усилитель Искажения высокочастотного сигнала на входе приёмника после детектирования сигнала, которое «удаляет» высокую частоту, перестают нас интересовать Поэтому для входных каскадов радиоприёмника характерно шунтирование резистора обратной связи конденсатором: резистор обратной связи

«работает» на постоянном токе, поддерживая рабочую точку транзистора, но перестаёт работать

на высокой частоте, увеличивая коэффициент усиления, который нам гораздо важнее нелинейных искажений в этом месте схемы

Чтобы не быть голословным, я повторю эксперименты со схемами, приведёнными выше, но измерять буду нелинейные искажения (конечно, выходное напряжение сигнала должно  быть одинаковым)

Рис 68 Нелинейные искажения схемы без ООС

Рис 69 Нелинейные искажения схемы с ООС

Мы упоминали о шумах, возникающих в усилителе Подавая часть сигнала с выхода на вход, где выходной сигнал вычитается из входного, мы вычитаем и шумы То есть, отрицательная обратная связь улучшает шумовые параметры усилителя

То, какая часть выходного напряжения подаётся на вход, можно назвать ещё глубиной обратной связи (более точно глубиной обратной связи будет называться коэффициент, показывающий во сколько раз уменьшился коэффициент усиления после введения отрицательной обратной связи)

С появлением транзисторов их всё чаще стали использовать в схемах усилителей звука При этом обнаружилось, что отрицательную обратную связь можно делать очень глубокой Казалось бы, улучшается полоса пропускания, уменьшаются нелинейные искажения, стабилизируются рабочие точки и тд Всё только улучшается с введением глубокой отрицательной обратной связи (ООС) Вот только звучание таких усилителей стало вызывать большие сомнения Это звучание назвали

«транзисторным»

Рассмотрим не все причины этого эффекта, но одну из них

Мы рассматривали амплитудно-частотные характеристики одного каскада усиления Сейчас я приведу две такие АЧХ:

Рис 610 Сравнение двух АЧХ

Вторая характеристика получена с помощью плоттера Боде в схеме, приведённой ниже:

Рис 611 Схема получения второй характеристики

Тот факт, что обе характеристики очень похожи, если не учитывать разную верхнюю частоту среза, которую можно подобрать для второй АЧХ, меняя ёмкость конденсатора, не подлежит сомнению Можно проверить, что скорость спада обеих характеристик за верхней граничной частотой одинакова (обычно её измеряют отношением децибел/декада, но об этих единицах позже)

RC цепь, показанную выше, называют интегрирующей RC цепью Но мы знаем, что напряжение на конденсаторе отстаёт по фазе (по времени) от тока через конденсатор Что даёт нам основание сделать вывод: выходное напряжение в усилителе отстает от входного по времени (или по фазе) Добавив к этому рассуждению то, что усиление каскада с отрицательной обратной связью меньше, чем без неё, мы можем сказать: есть некоторый промежуток времени, когда действие обратной связи ещё не началось, а входное напряжение выше, чем в установившемся режиме

Подобное завышенное входное напряжение, пусть и на короткий промежуток времени, может перегружать усилитель, вызывая нелинейные искажения И получается, что усилитель, охваченный глубокой отрицательной обратной связью, склонен к особому виду искажений Их называют динамическими искажениями Если не принимать специальных мер по устранению этих искажений, то следует остерегаться введения глубокой отрицательной связи в звуковых усилителях

Наш эксперимент по сравнению АЧХ усилительного каскада и RC цепи показывает, что их поведение в этом отношении схоже Поэтому мы можем проделать ещё эксперименты с RC цепями, перенося полученные результаты на усилители

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты