Влияние обратной связи на частотно-селективные свойства усилителя с ОЭ

Устойчивость – свойство каскада или устройства сохранять свои характеристики при действии дестабилизирующих факторов и слабо контролируемых обратных связей. Под устойчивостью понимается стабильность. Например, возьмем коэффициент передачи. Хотелось бы, чтобы , а на самом деле: . Наша задача: не выйти за пределы . В этом и заключается устойчивость.

Причины возникновения обратной связи.

1. Через внутреннюю проводимость транзистора или другого усилительного элемента.
2. Через монтажные емкости, индуктивности и т.д.
3. Через цепи питания.
4. Из-за особенностей конструкции.
5. Прочее.

1 – внутренняя обратная связь; 2,3,4,5 – внешняя обратная связь.

Надо спроектировать усилитель так, чтобы его АЧХ не выходила за заданные пределы.

Из-за обратной связи будут меняться свойства частотно-селективных цепей:

Посмотрим как обратная связь будет сказываться на частотно-селективных свойствах входной цепи. (Выходную частотно-селективную цепь не рассматриваем).

Полный ток во входной цепи усилительного каскада: .

Отсюда можно определить входную проводимость каскада: .

В этой формуле - напряжение на входе усилительного каскада, а - напряжение в коллекторной цепи. Выходное напряжение усилительного каскада связано с напряжением в коллекторной цепи транзистора соотношением . Поскольку - коэффициент усиления данного каскада, можно записать: . Соответственно получим: .

- проводимость, вводимая во входную цепь по цепи обратной связи.

- обратная проходная проводимость, характеризующая внутреннюю обратную связь в усилительном элементе. - емкость коллекторного перехода.

Коэффициент усиления: - коэффициент передачи одиночного контура.

; ; ;

Следствие:

1. содержит как действительную, так и минимальную части.

2. Эти проводимости и частотно зависимые ( и ).

Наличие этих двух частотно-зависимых компонент и может привести к тому, что будет меняться эквивалентная добротность входного контура и частота его настройки.

Посмотрим какие изменения будут происходить:

Так как частота w – меняется медленно, а обобщенная расстройка x - меняется быстро, то можно полагать, что: ; .

Следствия:

1. и очень сильно зависят от частоты. Причем эти изменения происходят в малой окрестности рабочей частоты усилителя. При больших расстройках x>>1 и можно принебречь.

2. и могут принимать, как положительные, так и отрицательные значения.

3. Это безусловно приведет к изменению АЧХ и ФЧХ входной частотно-селективной цепи усилителя.

Произошло изменение крутизны фронтов и изменение частоты настройки. АЧХ – исказилось.

За счет добротность увеличивается и изменяется крутизна фронтов.

За счет частота больше w₀, так как включается индуктивность.

За счет частота меньше w₀, так как включается емкость.

2.12,13. Устойчивость усилителя с ОЭ. Методы повышения устойчивости.

Критерий устойчивости. Коэффициент устойчивого усиления. Порядок расчета усилительного каскада с учетом наличия паразитных обратных связей.

Условия устойчивости селективных усилителей с ОЭ и ОИ.

Условием самовозбуждения являются равенства: , , первое из которых соответствует условию баланса фаз, второе – условию баланса амплитуд. Усилитель не будет самовозбуждаться, если проводимость контура на его входе с учетом обратной связи будет положительной: . Но отсутствие самовозбуждения еще не означает неизменности показателей усилителя.

Введем коэффициент устойчивости: . Если k_У = 0, то усилитель может самовозбуждаться. При k_У = 1 обратная связь отсутствует, что соответствует максимальной устойчивости усилителя. Обычно принимают k_У = 0.8…0.9. При этом изменение коэффициента усиления и полосы пропускания под действием обратной связи не превышает 10…20 %. Чем ближе k_У к единице, тем устойчивее усилитель.

При анализе вопросов устойчивости в селективных усилителях считают, что наиболее опасным является сужение полосы пропускания. Допускают сужение полосы не более, чем на 10-20 %. Это эквивалентно повышению добротности на 10-20 % или снижению проводимости входного контура на 10-20 %.

Аналогичные рассуждения справедливы и для отрицательной обратной связи: свойства усилителя также не должны претерпевать существенных изменений, поэтому выбирают k_У = 1.1…1.2.

Зависимость от расстройки x:

Рис20

;

Ограничения на резонансный коэффициент усиления:

Следствия:

1. - максимальное значение коэффициента усиления по напряжению, за которое выходить не следует.

2. Если каскад селективного усилителя проектируется на коэффициент усиления больше , то следует принимать специальные меры.

3. Обе формулы в общем то идентичны, но вторая является более корректной. Она учитывает комплексные параметры Y₂₁ и Y₁₂.

4. Цепочка грамотного расчета селективного усилителя имеет следующий вид:

а) Принебрегаем обратной связью (С₁₂ = 0, Y₁₂ = 0).

б) Расчитываем усилитель без учета обратной связи.

в) Определяем K₀ полученного усилителя: .

г) . Если - принимают специальные меры; - правильный усилитель.

5. Полученные результаты справедливы для схемы с ОЭ (ОИ). Для схемы с ОБ (ОЗ) условия менее жесткие: ;

6. Мы анализировали устойчивый коэффициент усиления для некоторой ситуации искусственной ситуации (предполагали что p₁ = m₁, G_ВХЭ = G_ВЫХЭ, схема состоит из нескольких идентичных каскадов). Кроме того смотрели в наихудшей точке. Тем не менее полученные соотношения для используют практически для всех усилителей (одно- и многокаскадных, с одинаковыми и разными каскадами, и даже в усилителях с апериодической нагрузкой). Это обусловлено простотой и удобством применения полученных соотношений, а также тем, что они определяют наихудший случай.

7. Мы анализировали устойчивость только с точки зрения наличия С₁₂ и Y₁₂, тем не менее в эти величины можно заложить другие паразитные обратные связи и воспользоваться полученными формулами.

Методы повышения устойчивости.

1. Снижение резонансного коэффициента передачи: . Для этого достаточно, например, уменьшить коэффициенты включения или сопротивления контуров R_Э. .
2. Взять транзистор с большей добротностью: ; - добротность транзистора. Чтобы увеличить добротность надо взять более высокочастотный транзистор.
3. Перейти к схеме с ОБ или ОЗ. .
4. Применить каскодную схему.

Начало в предыдущем вопросе) Усилитель с ОБ и ОЗ. Основные параметры и свойства. Коэффициент усиления, частотно-селективные свойства, коэффициент шума, коэффициент устойчивого усиления.

Если вместо подставить , то все соотношения для ОЭ будут работать и для схем с ОБ.

Основные свойства ОБ:

1. , так как и , а , поэтому им можно пренебречь.

Коэффициенты передачи по току: ; - коэффициент передачи по мощности.

2.

Рис21

У ОБ падает в полосе частот медленнее чем у ОЭ, т.е. неравномерность более меньшая.

3. Частотно-селективные свойства схем с ОБ определяются выходной частотно-селективной цепью. Если она такая же как в схеме с ОЭ, то и свойства будут одинаковые.

4. Коэффициент шума схемы с ОБ равен коэффициенту шума схемы с ОЭ.

Каскодная схема.

ОЭ, ОИ: «+» , ; «-»

ОБ, ОЗ: «+» ; «-» , ;

Составим гибридную схему:

Рис22

Входное сопротивление будет осуществляться схемой ОЭ: ; .

Коэффициент усиления по напряжению нижнего транзистора очень маленький, поэтому схема ОЭ – устойчивая.

; ; ; ;

Достоинства каскодной схемы:

1. Высокая устойчивость (как у схемы с ОБ).
2. Большой коэффициент усиления по мощности K_P (как у схемы с ОЭ; ; ).
3. Относительно высокое сопротивление.

Положительные свойства:

1. Хорошая реализуемость микросхем.
2. Схема малочувствительна к разбросу параметров транзисторов.
3. Свойства такой схемы (усилительные свойства) сохраняются во всем диапазоне частот.

Недостатки:

1. Необходимость в более высоком напряжении питания ( в 2 раза, так как два транзистора).

2.14. Линейные искажения сигналов в селективных усилителях.

Частотные, фазовые и переходные искажения.

Искажения непрерывных и импульсных радиосигналов.

Реальная ситуация: На входе: . Хотелось бы, чтобы на выходе усилителя было: , , где K₀ – большой коэффициент усиления.

На самом деле: , где t - время запаздывания.

Что такое искажения в селективных усилителях.

Рис23

, - комплексная огибающая.

Линейные искажения обусловлены не идеальной АЧХ усилителя:

Рис24

Под нелинейными искажениями в селективных усилителях понимают обогащение спектра полезного сигнала.

Под линейными и нелинейными искажениями в селективных усилителях понимают искажения комплексной огибающей усиливаемого сигнала.

Например: Если на вход подать: .

Рис25

Виды искажений:

1. Линейные искажения:

А. Частотные искажения (амплитудно-частотные искажения).

Б. Фазовые искажения (фазо-частотные искажения).

В. Переходные искажения (искажения формы огибающей при усилении импульсных радиосигналов).

2. Нелинейные искажения:

А. Искажения огибающей.

Б. Нелинейные эффекты, обусловленные многосигнальным усилением.

Рис26

Огибающая сигнала определяется не только АЧХ, но и ФЧХ.

Как борются с линейными искажениями.

Наложение соответствующих требований к АЧХ и ФЧХ.

2.15. Нелинейные искажения сигналов в селективных усилителях.

Рис27

Такое обогащение спектра называют нелинейными искажениями.

- крутизна.

- кривизна

- кривизна крутизны.

Если это выражение пропустить через входную цепь, то получим (от I_ВХ останется только 2 и 4 слагаемые, так как контур настроен на w₀):

- сигнал на выходе.

Пусть U_M изменяется по такому закону: .

Произведем подстановку и получим:

Коэффициент нелинейных искажений:

Следствия:

1. Полученный результат показывает, что в спектре огибающей появились гармоники частоты модуляции.

2. Как правило эти гармоники попадают в полосу пропускания входной частотно-селективной цепи, поэтому они пройдут на выход усилителя.

3. Соотношение для коэффициента нелинейных искажений показывает следующее:

А) уровень нелинейных искажений зависит как от свойств нелинейного элемента и режима его работы, так и от уровня входного сигнала.

Б) свойства нелинейного элемента определяются соотношением , зависимость режима работы определяет зависимость S от E_СМ.

В) зависимость от параметров входного сигнала определяется тем, что уровень нелинейных искажений пропорционален квадрату глубины модуляции m.

4. Получ. выражение справедливо и для многокаскадных схем. Достаточно, вместо , подставить .

5. Это соотношение показывает, как можно бороться с нелинейными искажениями огибающей:

А) уменьшать амплитуду входного сигнала U₀.

Б) подбирать нелинейный элемент либо режим его работы (E_СМ), так чтобы было минимальным.

Уровень нелинейных искажений пропорционален отношению четных производных от крутизны к самой крутизне!!!