Материал: Исследование аналоговых каскадов на дискретных элементах методом схемотехнического моделирования. Акимов В.И

3.4. Структурные схемы каскадов с ос основных типов

где К_у - коэффициент усиления без обратной связи;  - коэф­фициент передачи напряжения обратной связи с выхода на вход усилителя ; F = 1+К_у - глубина обратной связи, показывающая, во сколько раз изменяется коэффициент усиления при введении обратной связи; произведение К_= К_е называется, петлевым усилением.

Принципиальные схемы каскадов, в которых применяются перечисленные выше типы ОС, представлены на рис. 3.2 – рис. 3.5.

В отличие от (3.1) влияние обратной связи на сквозной коэффициент нагруженного усилителя различно для разных типов связи. Причина этого 67

заключается в том, что различные типы обратной свя­зи оказывают неодинаковые влияния на входные и выходные сопротивления усилителя.

Рис. 3.5. Схема каскада с ОС Y – типа

Рис. 3.6 Схема каскада с ОС Z - типа

68

Рис. 3.4. Схема каскада с ОС Н – типа. (Схема с ОК)

Рис. 3.6. Схема каскада с ОС К – типа

(Схема с ОБ)

Рис. 3.7. Схема каскада с комбинированной ОС по входу и выходу (Z и Y типов)

69

Рис. 3.8. Представление каскада с ОБ как каскада с ОЭ, охваченного 100 % ОС К – типа (параллельная по току)

Точки a, b определяют вход сигнала (синие линии) и вход сигнала ОС (красные линии), точки c, d показывают выход сигнала усилительного блока (квадрат бирюзового цвета), а точки d, k - начало (вход) сигнала ОС. Блок цепи ОС – розовый, а весь каскад с ОС – зелёный.

При введении последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя (Z и К типов)

Z_{вх ос}= Z_вх(1+ К_у) (3.2)

Рис. 3.8. Представление каскада с ОК как каскада с ОЭ, охваченного 100 % ОС Н – типа (последовательная по напряжению)

70

Коэффициенты передачи цепи обратной связи определяются выражениями:

- для Y – связи β_Y = = .

- для Z – связи β_Z = ≈ поскольку для переменного тока

R_ВЫХ ≈ R_K || R_H. Если R_H << R_К, то R_ВЫХ ≈ R_H. Если R_К << R_Н, то R_ВЫХ ≈ R_К, если R_К ≈ R_Н, то R_ВЫХ ≈ 0,5 R_K ≈ 0,5 R_H ≈ 0,5(R_H + R_К).

- для H – связи β_H = = .

Для схемы рис. 3.4 β_H ≈ K_Uok ≈ ≈ 1

- для K – связи β_K = .

Для связи Y и Н типов входное сопротивление уменьшается и определяется соотношением:

Z_ВХос = . (3.3)

Таким образом, согласно (3.2), последовательная отрицатель­ная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя. Параллельная же обратная связь оказывает противоположное действие на входное сопротивление. В этом случае согласно (3.3)

Y_{вх ос} = Y_вх(1 + К_у)

или

R_{вх ос}= R_вх/(1+ К_у)

Выходной иммитанc (Z_вых, Y_вых) усилителя с отрицательной обратной связью зависит от способа снятия с выхода напряжения об­ратной связи.

При обратной связи по току (Z и К типа) выходное сопротивление

71

становится равным

Z_{вых ос}= Z_вых(1+К_у),

т.е. возрастает в глубину обратной связи F раз. Для обратной свя­зи по напряжению (Y и Н типа):

Y_{вых ос}= Y_вых(1+К_у),

что означает уменьшение выходного сопротивления.

Выражения для расчета коэффициента обратной связи приведены на рис.3.1. Очевидно, что в зависимости от типа элементов в цепи обратной связи коэффициент  может, как являться, так и не являться функцией от частоты усиливаемого сигнала. В этой связи различают частотно-независимую ( = const) и частотно - зависимую ( = ()) обратные связи.

Частотно-независимая обратная связь уменьшает шумы, дрейф, помехи и нелинейные искажения; позволяет уменьшить фазовый сдвиг и частотные искажения; расширяет динамический диапазон усилителя. В частности, действие помех в усилителе, охваченном отрицательной обратной связью тем слабее, чем ближе к выходу они приложены. Воздействие помех зависит от петлевого усиления. Так, если помеха U_n возникает на входе усилителя, то U_вых = U_n/.

Нелинейные искажения, оцениваемые коэффициентом гар­моник Кr для усилителя с обратной связью определяем:

К_r = К_r /(1+К_у),

где К_у - коэффициент гармоник при разомкнутой петле обратной связи. Частотно - зависимая обратная связь позволяет осуществить кор­рекцию частотных, фазовых и переходных характеристик усилителя, обеспечивая уменьшение частотных искажений и получение выигрыша в усилении.

Различают местную обратную связь, действующую в одном каска­де и внешнюю, охватывающую несколько каскадов усиления. При этом обратная связь может, как вводиться специально для улучшения пара­метров усилителя, так и являться паразитной. Примером паразитной обратной связи может служить связь между каскадами через общий источник питания. Несмотря на то, что сопротивление источника пи­тания для переменного тока стремятся сделать, возможно, меньшим, блокируя его конденсатором большой емкости, ток сигнала оконечного транзистора усилии

72

теля, протекающий через источник питания, создает на сопротивлении источника некоторое напряжение. Это напряжение, приложенное к делителю в цепи базы, попадает на вход и усиливает­ся. Таким образом, возникает паразитная обратная связь, которая при числе каскадов два и более (в схемах типа рис.3.2) становят­ся положительной, и может привести к самовозбуждению усилителя. Поскольку сопротивление источника имеет емкостный характер, то это явление имеет место в области самых нижних частот.

Для устранения паразитной обратной связи по питанию вводится фильтр, состоящий из резистора R_ф (рис.1.6,а) и конденсатора C_ф подключаемого к гнезду X2. В этом случае каскад оказывается охваченным местной частотно-зависимой отрицательной обратной связью которая приводит к частотным искажениям в области нижних частот, что следует учесть при выборе емкости конденсатора фильтра C_ф .

4. Описание исследуемой схемы.

4.1. Экспериментальные исследования на лабораторном стенде

Исследование действия отрицательной обратной связи на пара­метры электронных схем осуществляется в работе с использованием каскада ОЭ (рис.1.7,а). Имеется возможность введения двух типов отрицательной обратной связи Z - типа и Y - типа. Обратная связь Z - типа вводится о помощью резистора в цепи эмиттера R_э. Для устранения действия обратной связи применяются блокировочные конденсаторы C_э1 и C_э2.

Для введения обратной связи Y- типа в стенде предусмотре­на возможность включения о помощью переключателя S5 между вхо­дом и выходом (гнезда Х12 и Х15 на рис.1.6) резистора Rв . Гнез­до Х2 предназначено для подключения конденсатора фильтра, в ка­честве которого используется одна из блокировочных емкостей C_э1,C_э2.

4.2. Экспериментальные исследования методом схемотехнического моделирования на ПК с помощью программы EWB 5.12 Pro

Принципиальная схема представлена на рис. 4.1.

73

Рис. 4.1. Принципиальная схема лабораторных исследований

(Вариант 1)

Рис. 4.2. Принципиальная схема лабораторных исследований

(Вариант2)

5. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИВ УКАЗАНИЯ

К ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ.

Подготовить измерительную аппаратуру и включить её для про­грева. Подготовить стенд и каскад ОЭ к работе: подключить входную и выходную цепи и измерительные приборы; установить R_к=R_{к max},R_э=R_{э max}, переключатели S2-S5 в положение "I", заблокировать R_э конденсатором C_э2 ; установить точку покоя каскада резистором R_а1 на середину ли

74

нейного участка.

1. установить R ист = R _ист min,R_н = R_{н max} ,подать с гене­ратора сигнал амплитудой 30 мВ и частотою 1 кГц|. Измерить коэффициент усиления K_у=U_вых / U_вх.

2. Установить R_н= R_{н min}.Измерить коэффициент K_н = U_вых / U_вх. Рассчитать K_вых и R_вых согласно методическим заданиям к работе №1.

3. Установить R_ист=R_{ист max} . Измерить сквозной ко­эффициент K=U_вых / U_вх, рассчитать K_вх;R_вх.

. 4. Включить обратную связь Z- типа путем отключения конденсатора C_э2 . Повторить измерения п.п. 1+3.

5. Отключить обратную связь Z-типа, заблокировав R_э конденсатором C_э2, и включить связь Y- типа переключателем S5. Повторить измерения п.п.1+ 3. Результаты измерений п.п.1 + 5 внести в таблицу.

Рассчитать глубину и коэффициент передачи  для двух ти­пов обратной связи. Сделать вывод о влиянии различных типов обратной связи на параметры усилителя (K_у,R_вх,R_вых). Утвердить ре­зультаты у преподавателя.

6. Выключить обратные связи; установить R_ист= R_{ист min}; R_н = R_{н min}. Снять нормированную АЧХ каскада.

7. Включить обратную связь Z или Н - типа. Снять нормированную АЧХ каскада при максимальной глубине обратной связи.

8. Установить R_э в среднее положение, уменьшив глубину обратной связи. Снять нормированную АЧХ каскада. Сделать вывод о влиянии отрицательной обратной связи па частотные искажения. Утвердить результаты п.п. 6 + 8 у преподавателя.

9. Подключить к гнезду Х2 конденсатор C_э1. Снять нормиро­ванную ДЧХ каскада в области НЧ (до 1 кГц).

10. Отключить C_э1 и подключить к гнезду X2 конденсатор C_э2. Снять АЧХ каскада в области НЧ. Сделать вывод о влиянии емкости конденсатора фильтра на частотные искажения. Утвердить результаты у преподавателя. 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

Отчет по данной работе должен содержать:

75

1) домашнее задание;

2) схему исследуемого каскада;

3) таблицу по результатам измерений п.п. 1+5;

4) АЧХ по п.п. 6 + 8 на одном графике;

5) АЧХ по л.п. 9 + 10 на одном графике;

6) анализ и выводы по каждой группе измерения и работе в целом.

Рис. 4.3. АЧХ каскада, охваченного цепью ООС Z – типа (R_OS = R_E = 100 0m, C_OS = C_E = 1nF). Рис. 4.4.. (R_OS = R_E = 100 0m, C_OS = C_E = 100 рF)

76

Исследование влияния ёмкости С_Е в качестве элемента ВЧ – коррекции ОС Z - типа

Влияние ёмкости С_OS Y – типа на НЧ коррекцию

(С_OS = 1мкФ, R_OS = 0,5 кОм)

(С_OS = 1мкФ, R_OS = 1 кОм)

(С_OS = 1мкФ, R_OS = 2 кОм)