Отрицательная обратная связь по напряжению
Схема каскада с ООС по напряжению приведена на рис. 3.13.
Рис. 3.13 Усилительный каскад с ООС по напряжению
Эквивалентная схема рассматриваемого каскада для переменных составляющих токов и напряжений приведена на рис. 3.14. Единственное ее отличие от эквивалентной схемы с рис. 3.11 состоит в наличии дополнительной цепи, образованной резистором 
. Заметим также, что роль источника входного сигнала здесь играет эквивалентный генератор тока. Это сделано для упрощения расчетов (мы можем совершенно произвольно менять форму эквивалентного представления источника сигнала — в виде генератора напряжения или в виде генератора тока; выходной импеданс такого источника в первом случае отражается резистором 
, а во втором — проводимостью 
).
Вообще говоря, полный анализ схемы на рис. 3.14 – занятие довольно трудоемкое. Тем более, для практического применения важен не сам порядок анализа, а получаемые в результате формулы и те выводы, которые мы можем сделать на основании данных формул.
 |
Рис. 3.14. Эквивалентная схема каскада по схеме с ОЭ с цепью ООС по напряжению
Входное сопротивление ( 
). Очевидно, что входное сопротивление схемы с цепью ООС по напряжению будет меньше, чем в схеме на рис. 3.11. Здесь оно определяется следующей формулой:
 ,
| (3. 7) |
где 
— входное сопротивление транзистора.
Заметим, что первая квадратная скобка в выражении (7 ОЭ) представляет собой входное сопротивление каскада без цепи ООС по напряжению. Величина 
не изменяется и продолжает соответствовать формуле (1 ОЭ) для входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ по рис. 3.10.
|
|
|
Выходное сопротивление ( 
) схемы на рис. 1.14, с учетом допущений 
и 
определяется соотношением:
| (3. 8) |
которое идентично формуле (2 ОЭ) для выходного сопротивления каскада с рис. 3.11.
Коэффициент усиления по току ( 
). Для вычисления коэффициента усиления по току необходимо выписать основные уравнения, связывающие между собой токи в различных звеньях схемы на рис. 3.14. Получается довольно сложная формула. Поэтому на рис. 1.15 представлены графики, отражающие отношение коэффициента усиления по току при наличии цепи ООС по напряжению к коэффициенту усиления этой же схемы при разомкнутой цепи ООС.
Рис. 3.15. Зависимость коэффициента усиления по току для схемы на рис. 3.14 от глубины ООС по напряжению
Графики даны для различных условий включения резистора обратной связи в коллекторную цепь транзистора, но при постоянстве параметров этой цепи (неизменная величина суммарного сопротивления в цепи коллектора). Из этих графиков видно, что даже при очень незначительной глубине ООС усиление каскада падает довольно заметно. Здесь следует понимать, что конкретные цифры, которые мы наблюдаем в данных графиках, присущи некоторому конкретному усилительному каскаду. В общем случае мы можем говорить только о том, что есть тенденция экспоненциального падения коэффициента усиления по току при увеличении глубины ООС по напряжению.
|
|
|
Коэффициент усиления по напряжению( 
). Выражение для коэффициента усиления по напряжению может быть найдено Вами самостоятельно. Найдите его и сделайте вывод о том, уменьшается или увеличивается усиление по напряжению при введении ООС.
Сравните самостоятельно два вида ООС в следующей редакции. И в том и в другом случае наблюдается заметное падение коэффициента усиления по мощности, а также уменьшение уровня линейных и нелинейных искажений. Однако при ООС по ******* заметно падает коэффициент усиления по напряжению, а коэффициент усиления по току практически не меняется. При ООС по *******, наоборот, происходит уменьшение коэффициента усиления по току при более или менее стабильном коэффициенте усиления по напряжению.
На практике предпочтение все-таки обычно отдается ООС по току как более удобной (мы можем очень легко регулировать глубину ООС в рабочем диапазоне частот, не влияя на ее параметры по постоянному току), но при построении многокаскадных усилителей может встречаться чередование видов ООС.
|
|
|
Схема с общей базой
Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе п-р-n-типа во включении с общей базой (ОБ) показана на рис. 3.16 (для транзистора р-п-р-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направления токов изменятся на противоположные). Полная эквивалентная схема для переменных составляющих токов и напряжений в рабочем диапазоне частот для данного каскада имеет вид, представленный на рис. 3.17.
Входное сопротивление 
эквивалентной схемы на рис. 3.17 определяется параллельным включением резистора 
в цепи эмиттера и входного сопротивления транзистора 
:
 , где 
| (3. 9) |
Уравнение Кирхгофа для переменного сигнала в точке Э (эмиттер транзистора VТ1) имеет вид:
|
Отсюда получаем:
| (3. 10) |
Сравнивая полученное выражение с формулой (3. 9), отражающей входное сопротивление транзистора при включении с ОЭ, можно видеть, что во включении с ОБ этот же транзистор (при сохранении неизменными значений всех прочих элементов схемы) иногда имеет более чем на порядок меньшее входное сопротивление.
|
|
|
Рис. 3.16 Эквивалентная схема каскада с ОБ
С1, С2 – разделительные конденсаторы (являются элементами межкаскадных связей, предотвращают проникновение постоянной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиления на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);
СЗ – блокировочный конденсатор (исключает действие цепи делителя на резисторах R1,R2 в рабочей полосе частот усилителя);
С4 – фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания).
Может показаться, что низкое входное сопротивление предопределяет малую эффективность усилительного каскада с ОБ. Однако это верно лишь отчасти. Действительно, на низких частотах, когда важнейшим параметром усилителя является его КПД, малое входное сопротивление может создать некоторые проблемы, но в высокочастотных каскадах, где большее значение имеет не КПД, а коэффициент передачи мощности (определяется качеством согласования выходного и входного импедансов сопрягаемых каскадов), входное сопротивление усилительного каскада с ОБ обычно оказывается именно в тех пределах (20... 100 Ом), которые и необходимы для оптимального режима работы.
Кроме того, отметим, что высокий входной ток усилительного каскада с ОБ обусловливает еще одно несколько нестандартное применение данного вида включения транзистора. Речь идет об использовании каскадов с ОБ в качестве динамической нагрузки различных схем. Подключая такую нагрузку, иногда можно значительно улучшить параметры усилителей, построенных по схеме с ОЭ или с ОК.
Выходное сопротивление 
эквивалентной схемы на рис. 3.17 определяется при отключенной нагрузке по переменному току 
и в режиме холостого хода на входе, т.е. при 
:
| (3. 11) |
Рис. 3.17 Эквивалентная схема каскада с ОБ
Вернемся теперь к формуле (3.10), выражающей выходное сопротивление усилительного каскада с ОЭ. Учитывая, что значение дифференциального сопротивления 
коллекторной области транзистора в схеме с ОБ значительно выше этого же значения в схеме с ОЭ 
, а величина сопротивления 
обычно близка к выходному сопротивлению усилительного каскада, построенного по схеме с ОЭ, выходное сопротивление каскада с ОБ оказывается в 1,5. ..2 раза выше аналогичного показателя каскада с ОЭ. Это означает, что в низкочастотных усилителях при использовании схемы с ОБ, мы сталкиваемся с проблемой некоторого падения КПД, а при построении высокочастотных усилителей по схеме с ОБ на их выходе неизбежно должны включаться цепи согласования, обеспечивающие оптимальную передачу полезной мощности сигнала в последующий каскад, имеющий низкое входное сопротивление.
Коэффициент усиления по токунаходится как отношение токов выходной и входной цепей Таким образом, сначала необходимо найти общие выражения для этих токов. Подобно схеме с ОЭ, входной ток в схеме с ОБ также содержит две составляющие
— ток в резисторе определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой этим резистором;
— ток эмиттера, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление выходным током.
,
где 
— коэффициент передачи тока входной цепи.
Выходная цепь оценивается аналогично:
,
где 
– коэффициент передачи тока выходной цепи.
И далее, коэффициент усиления по току для каскада с ОБ выражается следующим образом:
| (3. 12) |
Учитывая, что дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера a всегда меньше единицы, приходим к выводу, что общий коэффициент усиления по току в схеме с ОБ в любом случае также оказывается меньше единицы. Данное свойство практически исключает возможность построения многокаскадных усилителей только лишь на базе схемыс ОБ (кроме случаев применения трансформаторов в межкаскадных связях). Т.е., когда мы используем усилитель с ОБ, то всегда должны следить за тем, чтобы сигнальный ток не падал ниже допустимых пределов. Это, как правило, обеспечивается включением каскада с ОЭ или с ОК последовательно (перед или после) с усилителем с ОБ.
Коэффициент усиления по напряжению ( )равен отношению выходного напряжения (напряжения на нагрузке) к входному напряжению (напряжению источника сигнала).
, где 
.
| (3. 13) |
Из формулы (3.13) следует несколько очевидных заключений.
Во-первых, общий коэффициент усиления по напряжению двух соединенных последовательно однотипных усилительных каскадов с ОБ (когда нагрузкой 
первого каскада является входное сопротивление 
второго каскада) оказывается меньше единицы 
. А если вспомнить, что в схемах с ОБ не происходит и усиления по току, то становится очевидным, что рассматриваемая цепь фактически не является усилителем и ее реализация бессмысленна без введения дополнительных согласующих элементов (например, трансформаторов) между каскадами.
Во-вторых, для получения в каскаде с ОБ значительного усиления по напряжению (и, соответственно, по мощности) необходимо, чтобы он работал на достаточно высокое сопротивление нагрузки. И чем выше будет это сопротивление, тем большее усиление можно получить. На практике в качестве такой высокоомной нагрузки часто используют эмиттерный повторитель (разновидность каскада с ОК). Следует, однако, помнить, что повышение коэффициента усиления неизбежно приводит к падению устойчивости усилительного звена, которая в случае схемы с ОБ и так достаточно мала. Поэтому всегда приходится следить за соблюдением разумного равновесия между двумя этими факторами, компенсируя по мере надобности тот из них, который проявляется чересчур сильно. Например, чрезмерное усиление можно подавить путем введения цепей отрицательной обратной связи, а низкоомную нагрузку подключить через согласующую цепь.
Коэффициент усиления по мощности 
находится путем перемножения соотношений (3.12) и (3.13):
| (3. 14) |
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1038; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!