Материал: Методические указания по выполнению лабораторных работ № 5 – 6 по дисциплине «Схемотехническое проектирование аналоговых устройств». Балашов Ю.С., Мушта А.И

Если же , то , и ОС называется отрицательной (ООС). Для усилителя, охваченного цепью ООС, имеет вид:

. (5.8)

В усилителях, охваченных «глубокой» ООС ( ) имеем

. (5.9)

ООС позволяют формировать требуемые характеристики усилителей, стабилизировать их усиление, подавлять шумы, трансформировать сопротивления и т. п.

Рис. 5.10. Способы соединения четырехполюсников K и β в единую систему с ОС

Способы введения обратной связи. Существуют четыре способа соединения четырехполюсников K и β в единую систему с ОС. По способу соединения различают последовательную (рис. 5.10, а), параллельную (рис. 5.10, б) и последовательно-параллельную (рис. 5.10, в) или параллельно-последовательную (рис. 5.10, г) ОС. В современных системах чаще всего используются первые два вида ОС.

При последовательной ОС вход K соединяется последовательно с выходом β, а вход β – последовательно с выходом K (рис. 5.10, а). Токи во входной и выходной цепи системы имеют одинаковую величину, т. е. последовательная ОС является связью по току. Четырехполюсник β при такой ОС часто состоит из одного резистора .

При параллельной ОС (рис. 5.10, б) токи I_вх и I_β суммируются во входной цепи усилителя. Параллельная ОС является связью по напряжению и обычно выполняется в виде комплексного сопротивления , включенного между входом и выходом (рис. 5.10, б).

Входные сопротивления усилителей с ООС. Входное сопротивление усилителя определяется способом включения ОС на его входе. Пусть K и β вещественные, т. е. = K, = β. При последовательном включении ООС на входе усилителя (рис. 5.10, а и 5.10, в) входное напряжение складывается из входного напряжения усилителя без ОС и напряжения . Учитывая, что при ООС , а ток во всех элементах входной цепи одинаков, получим:

, (5.10)

где F – глубина ООС в режиме короткого замыкания входа (R_И = 0).

При параллельном включении ОС на входе усилителя (рис. 5.10, б и 5.10, г) входное напряжение усилителя с ООС и без нее одинаково, а входной ток от источника сигнала разветвляется на ток усилителя без ОС и , т. е.

Отсюда для входного сопротивления усилителя, охваченного параллельной по входу ООС имеем:

. (5.11)

Таким образом, при введении последовательной по входу ООС входное сопротивление усилителя возрастает, а при введении параллельной по входу ООС уменьшается.

Ослабление нестабильности усиления. Основной параметр усилителя – коэффициент усиления должен оставаться неизменным в процессе усиления. Это требование трудно выполнить, так как K зависит от стабильности многих переменных (напряжений питания, температуры окружающей среды и т. д.), которые в процессе эксплуатации усилителя хаотически изменяются. Нестабильность K в ряде случаев удается существенно снизить с помощью ООС.

Пусть в электронной системе (рис. 5.9, а) коэффициенты передачи усилителя и элемента ОС вещественные, четырехполюсник ОС не содержит активных элементов и β = const. Тогда из (5.8) имеем

,

а после деления на (5.8) находим взаимосвязь нестабильностей коэффициентов усиления и K в виде:

. (5.12)

Таким образом, нестабильность коэффициента усиления усилителя, охваченного ООС, в F раз меньше, чем усилителя без ООС.

Коррекция частотных характеристик при введении ООС. Пусть каскад охвачен цепью ООС. Тогда K_0β определяется соотношением (5.8), а коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах можно получить, подставляя и вместо K в формулу (5.8). В соответствии с (5.3) и (5.4) имеем

, (5.13)

, (5.14)

где , а . Таким образом, в результате воздействия на каскад ООС его увеличивается, а уменьшается в ( ) раз, т. е. полоса частот, в которой M( ) не превышает заданных значений, расширяется.

5.2.1. Контрольные вопросы к домашнему заданию

1. Изобразить электрическую схему резистивно-емкостного каскада на БТ и объяснить принцип действия каскада. Как определить статический режим каскада? Почему транзисторный каскад является инвертирующим?

2. Что такое обратная связь? В чем различие положительной и отрицательной обратной связи? Как рассчитать коэффициент усиления усилителя, охваченного цепью обратной связи? Приведите основные соотношения.

3. Каковы способы введения обратной связи? Как влияет глубина ООС на нестабильность коэффициента усиления, частотные искажения усилителя, его входное и выходное сопротивления?

4. Изобразить электрическую схему и объяснить принцип действия четырехполюсника ОС с регулируемым от -1 до 1 коэффициентом передачи. Вывести основные соотношения.

1. Как в данной работе измеряется входное сопротивление усилителя?

5. Как в данной работе измеряется сдвиг фаз между двумя напряжениями осциллографическим методом?

5.3. Лабораторно-практические задания и методические указания по их выполнению

Схема измерения резисторного каскада усиления на биполярном транзисторе приведена на рис. 5.11, а схема измерения резисторного каскада усиления на МОП-транзисторе – на рис. 5.12.

Рис. 5.11. Схема измерения резисторного каскада усиления на биполярном транзисторе

Рис. 5.12. Схема измерения резисторного каскада усиления

на МОП-транзисторе

5.4. Контрольные вопросы и задания

1. Обеспечить работу биполярного транзистора в режиме усиления.

Для этого необходимо подать на базу транзистора некоторое постоянное напряжение смещения, чтобы в процессе работы не происходило «срезания» нижних полуволн поступающего на вход синусоидального сигнала. Для определения величины напряжения смещения необходимо воспользоваться зависимостью тока коллектора транзистора от напряжения на базе. Схема измерения и сама характеристика приведены на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема измерения и характеристика

На полученной характеристике выбирается линейный участок, абсцисса точки, являющейся его серединой и будет необходимым напряжением смещения. При выборе впоследствии напряжения источника синусоидального сигнала на входе следует учесть, что его амплитуда не должна превышать половину ширины выбранного линейного участка по оси абсцисс.

2. Обеспечить работу МОП-транзистора в режиме усиления.

Для этого необходимо промоделировать схему измерения и снять передаточную характеристику транзистора, т.е. зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Схема измерения и характеристика

3. Снять АЧХ каскада. Убедиться в наличии сдвига фаз между сигналами на входе и выходе каскада.

На полученных графиках АЧХ определить максимальное значение U_вых и ширину полосы пропускания по уровню 0,707U.

Рис. 5.15. Входной синусоидальный сигнал, выходной усиленный сигнал, ФЧХ и АЧХ каскада на биполярном транзисторе

Рис. 5.16. Входной синусоидальный сигнал, выходной усиленный сигнал, ФЧХ и АЧХ каскада на МОП-транзисторе

4. Анализ влияния температуры на АЧХ каскада усиления.

Для анализа можно выбрать три точки, соответствующие температурам - 40˚, 27˚, и 125˚.

5. Исследовать влияние характера нагрузки на АЧХ каскада.

Для исследования влияния характера нагрузки на АЧХ каскада необходимо параллельно сопротивлению нагрузки R6 включить емкость C4 (рис. 5.11 и 5.12).

Увеличение емкости нагрузки приводит к уменьшению полосы пропускания в области ВЧ. Используя полученные результаты, сделать вывод о влиянии характера нагрузки на АЧХ каскада.

6. Исследовать:

а) влияние отрицательной обратной связи на АЧХ каскада на биполярном транзисторе.

Для исследования влияния отрицательной обратной связи на АЧХ каскада следует ввести обратную связь по переменному току, для этого надо емкость C2 (рис. 5.11) переключить в точку соединения резисторов R4 и R5.

Вычислить изменение полосы пропускания относительной исходной и сделать вывод о влиянии обратной связи на АЧХ каскада. Определить изменение коэффициента усиления при введении обратной связи.

б) влияние эмиттерной ВЧ коррекции на АЧХ каскада на биполярном транзисторе;

Известно, что резисторный каскад усиления является основой для построения широкополосных усилителей. Для исследования влияния эмиттерной ВЧ коррекции на АЧХ каскада следует, предварительно введя ООС, ввести цепь коррекции, т. е. подключить емкость C3 (рис. 5.11).

Вычислить изменение полосы пропускания относительно исходной и сделать вывод о влиянии эмиттерной ВЧ коррекции на АЧХ каскада.

в) влияние параллельной отрицательной обратной связи по переменному току на АЧХ каскада на МОП-транзисторе.

Для исследования влияния обратной связи на АЧХ каскада следует ввести указанную обратную связь путем включения в схему усилителя резистора R4 (рис. 5.12).

Вычислить изменение полосы пропускания относительно исходной и сделать вывод о влиянии обратной связи на АЧХ каскада. Определить изменение коэффициента усиления при введении обратной связи.

г) влияние последовательной отрицательной обратной связи по переменному току на АЧХ каскада на МОП-транзисторе.

Для введения указанной ООС следует исключить конденсатор C2 (рис. 5.12), который шунтировал по переменному току сопротивление R5 в цепи истока транзистора.

Вычислить изменение полосы пропускания относительно исходной и сделать вывод о влиянии ОС на АЧХ каскада.

7. Исследовать влияние разделительного конденсатора на АЧХ каскада.

Для исследования влияния разделительного конденсатора на АЧХ каскада следует изменить емкость конденсатора C1 (рис. 5.11, 5.12). С уменьшением емкости полоса пропускания усилителя должна сужаться в области низких частот.

Вычислить изменение полосы пропускания относительно исходной и сделать вывод о влиянии номинала разделительного конденсатора на АЧХ каскада.