Обратные связи в усилителях

Усилительные устройства

Усилитель – устройство – предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Суть процесса усиления электрических сигналов состоит в преобразовании энергии источника питания усилителя в энергию выходного сигнала по закону, определяемого входным управляющим воздействием. Другими словами, любой усилитель моделирует энергию источника питания входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого нелинейного элемента. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых элементах (биполярные, полевые транзисторы). Простейшая ячейка, позволяющая производить усиление сигнала, называется усилительным каскадом.

Согласно ГОСТ 25847-889

Классификация усилителей

· по виду усиливаемого сигнала:

- усилители гармонического сигнала;

- усилители импульсного сигнала;

· по виду усиливаемой величины:

- U – усилители напряжения;

- I – усилители тока;

- P – усилители мощности;

· по диапазону усиливаемых частот:

- усилители постоянного тока (УПТ) - (0 < f < f_в)

- усилители переменного тока – (f _н< f < f_в).

Сигналы постоянного тока этим видом усилителей не усиливаются.

 

Усилители переменного тока подразделяются на:

- усилители низкой частоты (УНЧ) - (от десятков Гц - до сотен кГц);

- усилители высокой частоты (УВЧ) – (от сотен кГц - до сотен МГц)

- широкополосные усилители – (от десятков Гц - до сотен МГц)

-избирательные (резонансные) усилители – обеспечивают усиление в узком диапазоне частот.

· по виду соединительных цепей выходных каскадов усилители подразделяются на:

- усилители с гальванической (непосредственной) связью – передают как переменную, так и постоянную составляющую сигнала;

- усилители с RC- связями – передают только переменную составляющую сигнала;

- усилители с индуктивной (трансформаторной) связью – передают только постоянную составляющую сигнала.

· по виду нагрузки, на которую работает усилитель:

- активная;

-емкостная;

-активно-индуктивная.

 

Основные характеристики и параметры усилителей:

Амплитудная характеристика усилителя это зависимость выходного сигнала усилителя от входного при постоянной частоте входного сигнала.

По амплитудной характеристике можно определить следующие основные параметры усилителя:

Коэффициент усиления (отношение установившихся значений выходного и входного сигнала усиления). С зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления по:

- напряжению: К_U = ΔU_вых/ΔU_вх

- току: К_I = ΔI_вых/ΔI_вх

- мощности: К_Р = ΔР_вых/ΔР_вх

Чувствительность усилителя — минимальное значение входного сигнала, при котором полезный сигнал на выходе уже различим на уровне помех.

Динамический диапазон - отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому, при которых не возникают искажения .

 

 

Амплитудно-частотная характеристика(АЧХ) отражает зависимость модуля коэффициента усиления , определяемого для синусоидального входного сигнала от частоты при постоянной амплитуде входного сигнала.

Полоса пропускания – диапазон рабочих частот в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже, чем на 1/√2 = 0,70707 от своего максимального значения К_мах.

 

Наличие в схеме усилителя «реактивных» элементов (конденсаторов и индуктивностей) и зависимость параметров усилителя от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала напряжение на выходе усилителя изменяется не только по амплитуде, но и по фазе.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) это зависимость угла фазового сдвига выходного сигнала относительно входного от частоты усиливаемого сигнала.

Входное и выходное сопротивление – в общем случае носит комплексный характер и зависит от частоты усиливаемого сигнала или является функцией от частоты.

Выходная мощность – часть мощности, которая может быть выделена в нагрузочном устройстве.

Искажение сигналов усилителей:

- статические (нелинейные);

- астатические (амплитудные и фазовые).

Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений.

Частотные искажения оцениваются по виду искажения АЧХ и оцениваются коэффициентом частотных искажений, который равен отношению коэффициента усиления на максимальной частоте и коэффициенту усиления на данной частоте.

Фазовые искажения возникают из-за неравномерности ФЧХ.

 

В функциональных каскадах полупроводниковых усилителей для получения высоких коэффициентов усиления используется включение нескольких усилителей. При этом общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления на напряжения входящих в него каскадов.

Предварительный усилитель обеспечивает связь с источником сигнала, поэтому требованием к нему является значение входного сопротивления, которое должно быть значительно больше сопротивления источника сигнала R_вх >> R_c.

Основным требованием к промежуточному усилителю является обеспечение наибольшего усиления сигнала при минимальных искажениях.

Промежуточный усилитель исполняет роль буферного каскада между предварительным и выходным усилителями.

Обратные связи в усилителях.

Обратная связь(ОС) – связь между цепями усилителя, посредством которой сигнал передается в направлении обратном нормальному (к примеру, от промежуточного усилителя к предварительному) - т.е. с выхода усилителя на его вход.

В общем случае сигнал обратной связи может либо суммироваться с входным сигналом, либо вычитаться из него. В зависимости от этого различают положительные(ПОС) или отрицательные(ООС) обратные связи.

ОС называется положительной (ПОС) если фаза входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают.

ОС называется отрицательной (ООС) если входного сигнал и сигнал обратной связи находятся в противофазе.

 

Изменение передаточной характеристики (зависимость выхода от входа) является зависимостью от ОС.

Введение ООС приводит к вращению передаточной характеристики относительно начала координат.

Введение ПОС увеличивает коэффициент усиления усилителя.

Введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя

Если цепь ОС охватывает весь усилитель, то её принято называть общей ОС, если только часть усилителя – её называют местной или локальной ОС.

По способу получения сигнала ОС различают ОС по току и напряжению. Для получения обратной связи по напряжению сигнал ОС должен быть пропорционален выходному напряжению усилителя. Для получения ОС по току на дополнительном измерительном элементе (датчике тока) снимают R_дт, включенного последовательно с нагрузкой.

 

Выделение сигнала ОС по напряжению:

По току:

По способу введения ОС различают:

- последовательные;

- параллельные.

Для получения последовательной ОС сигнал с выхода усилителя вводится последовательно с источником входного напряжения. В этом случае на входе усилителя выполняется алгебраическое суммирование напряжений.

U_{вх. ус.} = U_вх + U_ос

Последовательная обратная связь по напряжению:

Для получения параллельной ОС, сигнал ОС выхода усилителя вводится параллельно источнику входного напряжения. При этом на входе усилителя происходит алгебраическое суммирование напряжений. i_вх.ус. = i_вх. + i_ос

Конкретный знак входных сигналов зависит от знака ОС. Возможны комбинированные способы как снятия, так и введения ОС. На практике наиболее часто применяются 4 основных типа цепей ОС:

· последовательная ОС по выходному напряжению;

· последовательная ОС по выходному току;

· параллельная ОС по выходному напряжению;

· параллельная ОС по выходному току.

Каждый из указанных типов может осуществлять как ПОС так и ООС в общем случае.

Различают также частотно-зависимую (инерционную) и частотно-независимую ОС.

Применение инерционных ОС позволяет изменять свойства усилительных устройств только в требуемых диапазонах частот.