Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, равен:

K_ос=U_вых/U_вх.

Напряжение U*_вх, поступающее на вход усилителя, в общем случае является суммой напряженийU_вхиU_ос:

U*_вх=U_вх+U_ос.

Учитывая, что

U_ос= ±βU_вых,

получим:

U*_вх=U_вх+ ( ±βU_вых).

Отсюда

U_вх=U*_вх– ( ±βU_вых).

Тогда коэффициент усиления усилителя с ОС равен:

K_ос=U_вых/ [U*_вх– ( ±βU_вых)].

Разделим числитель и знаменатель последнего выражения на U*_вх, получим:

K_ос= [U_вых/U*_вх] / [ 1 – ( ±βU_вых/U*_вх)],

Но

U_вых/U*_вх=K.

Таким образом, выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного ОС, принимает вид:

K_ос=K/ [1 – ( ±βK)],

где (1 ± βK) – называютглубиной ОС. Знак перед фактором ОС βKсовпадает со знаком самой ОС.

При положительной ОС знаменатель дроби уменьшается:

K_ос=K/ [1 – βK],

а коэффициент усиления возрастает. Значение петлевого усиления при этом ограничивается условием:

βK< 1.

При βK≥ 1, называемогоусловием самовозбуждения, усилитель теряет устойчивость и не может рассматриваться как усилитель, так как выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного. Этот режим используется в генераторах.

При отрицательной ОС знаменатель возрастает:

K_ос=K/ [1 + βK],

а коэффициент усиления падает.

Несмотря на уменьшение усиления, отрицательная ОС широко используется в усилителях, так как при ее введении удается улучшить ряд других параметров.

Особое значение для работы усилителя имеет стабильность коэффициента усиления. При работе усилителя его коэффициент усиления не остается постоянным, а изменяется вследствие различных дестабилизирующих факторов: старения усилительных и других элементов, изменения температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения источника питания и т.д.

Изменение коэффициента усиления оценивается относительным изменением коэффициента усиления:

или

С учетом, что

,

.

Таким образом, относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной ОС, уменьшается в (1 + βK) раз.

При βK>> 1 (при глубокой ОС)

.

То есть коэффициент усиления схемы, охваченной глубокой отрицательной ОС, практически не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а определяется только коэффициентом передачи ОС. Цепь ОС состоит из пассивных элементов, резисторов, которые можно выполнить очень стабильными. В результате удается создавать усилители с очень высокой стабильностью усилителя.

6.3.2. Влияние последовательной отрицательной ос по напряжению на входное и выходное сопротивления усилителя

Входное сопротивление усилителя в основном зависит от способа подачи напряжения отрицательной ОС во входную цепь и не зависит от того, каким образом это напряжение снимается с выхода усилителя. Входное сопротивление усилителя с ОС (см. рис. 6.13) равно:

R_{вх ос}=U_вх/I_{вх ос}.

Напряжение на входных зажимах усилителя при отрицательной ОС:

U_вх=U*_вх+U_ос; (6.1)

U_ос=U*_вхβK; (6.2)

U*_вх=I_{вх ос} R_вх. (6.3)

Подставим выражения (6.2) и (6.3) в выражение (6.1), получим:

U_вх=I_{вх ос} R_вх(1 +βK);

R_вхос =R_вх(1 +βK). (6.4)

Из выражения (6.4) видно, что введение последовательной отрицательной ОС эквивалентно включению последовательно со входным сопротивлением усилителя дополнительного сопротивления (R_вхβK).

Таким образом, применение последовательной отрицательной ОС позволяет при больших значениях петлевого усиления (βK) получать достаточно высокое (десятки мегаом) входное сопротивление.

Выходное сопротивлениеусилителя в отличие от его входного зависит от того, как снимается напряжение ОС (пропорционально выходному напряжению или пропорционально выходному току), но не зависит от способа подачи напряжения ОС во входную цепь.

Выходное сопротивление усилителя с отрицательной ОС по напряжению равно:

R_{вх ос}=R_вых/ (1 + βK).

То есть при введении этого вида ОС выходное сопротивление уменьшается в (1 + βK) раз, что позволяет реализовать усилитель с малым (единицы ом) выходным сопротивлением, приближая его выходную цепь к идеальному источнику напряжения, выходной сигнал которого мало изменяется при различных сопротивлениях нагрузки.

6.3.3. Влияние отрицательной ос на нелинейные искажения и помехи

Вследствие нелинейных искажений в выходном сигнале каскада появляется ряд высших гармоник. Тогда при введении отрицательной ОС напряжение U_ос также содержит ряд высших гармоник. Но так как напряжение U_ос подается на вход усилителя в противофазе с входным сигналом (U_вх), то напряжение на выходе усилителя, вызванное напряжением ОС, будет также в противофазе с выходным напряжением каскада. В результате, это уменьшит амплитуды высших гармоник, т.е. нелинейные искажения уменьшатся.

Отрицательная ОС уменьшает искажения, возникающие в усилителе, во столько раз, во сколько изменяется коэффициент усиления усилителя, т.е. коэффициент гармоник

K_{г ос}=K_г/ (1 + βK)

уменьшается прямо пропорционально глубине ОС. Следует заметить, что отрицательная ОС уменьшает в (1 + βK) раз помехи и шумы, возникающие в усилителе.

Наибольшую величину нелинейных искажений обычно создает выходной каскад усилителя, так как он работает при больших амплитудах входного сигнала. Поэтому отрицательную ОС наиболее часто используют в мощных выходных каскадах

6.3.4. Влияние отрицательной ос на частотные искажения

Амплитудно-частотная характеристика усилителя свидетельствует о снижении коэффициента усиления на границах полосы пропускания f_ниf_ви появлении частотных искажений. Введем частотно-независимую отрицательную ОС.

Под действием отрицательной ОС уменьшается коэффициент усиления каскада, а следовательно, и напряжение на его выходе. Это приводит к изменению напряжения ОС и результирующего напряжения на входе каскада

(U* =U_вх–U_ос),

однако изменение усиления каскада даже с частотно-независимой ОС происходит неравномерно.

На средних частотах коэффициент усиления максимален, а следовательно, и максимально напряжение ОС:

U_ос= βU_вых,

на верхних и нижних частотах, где коэффициент усиления уменьшается, уменьшается и напряжение ОС. Следовательно, на верхних и нижних частотах на вход усилителя поступает больший, чем на средних частотах сигнал. В результате характеристика становится более равномерной, и полоса пропускания усилителя (Δf), охваченного отрицательной ОС, расширяется.

При частотно-зависимой отрицательной ОС коэффициент передачи цепи ОС зависит от частоты сигнала. Частотно-зависимая отрицательная ОС изменяет АЧХ усилителя по закону, обратному закону изменения коэффициента передачи цепи ОС в зависимости от частоты: β(ω). Частотно-зависимую отрицательную ОС широко используют для формирования АЧХ заданной формы.

Мы рассмотрели влияние последовательной отрицательной ОС по напряжению на входное и выходное сопротивления. Аналогично можно проанализировать влияние параллельной ОС на входное сопротивление и ОС по току на выходное (см. табл. 6.1).

Таблица 6.1

Влияние ООС на входное и выходное сопротивления

При параллельной ОС принципиально наличие сопротивления R_г(внутреннего сопротивления источника питания). Если источник входного сигнала имеет малое внутреннее сопротивление, то последовательно с ним включают дополнительный резистор. ПриR_г= 0 на входе усилителя будет короткое замыкание (КЗ) напряжения ОС