 |
|
КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Підсилювачем називається електронний пристрій, призначений для підвищення потужності вхідного сигналу. Навантаженням підсилювача може бути не тільки споживач електричної енергії, але і вхід іншого підсилювача. Такий підсилювач називається багатокаскадним і являє собою ланцюг (рис. 6.1), на вході якого підключено джерело підсилювального сигналу, а до виходу підключено навантаження.
Рис. 6.1. Структурна схема багатокаскадного підсилювача
Каскад являє собою закінчену самостійну частину підсилювача, що може функціонувати самостійно.
Каскади нумеруються від 1 до n у зростаючому порядку від входу. Перший каскад називається вхідним, передостанній – передвихідним чи передкінцевим, а останній – вихідним чи окінцевим.
При передачі сигналів змінного струму чи напруги широко розповсюджений спосіб з'єднання виходу попереднього каскаду з входом наступного за допомогою конденсаторів. Такі підсилювачі називаються підсилювачами з RC-зв'язками, що каскади розділяють за постійним струмом.
Роботу будь-якого підсилювача можна оцінити різними кількісними і якісними параметрами.
До кількісних параметрів відносяться: коефіцієнти підсилення за напругою КU=UВИХ/UВХ; за струмом К=ІВИХ/ІВХ; за потужністю К=РВИХ/РВХ; вхідний опір RВХ; вихідний опір RВИХ.
До якісних параметрів відносяться: коефіцієнт нелінійних спотворень і коефіцієнт частотних спотворень M.
При посиленні сигналу підсилювач вносить нелінійні й лінійні спотворення, що оцінюються якісними параметрами. Обидва види спотворень змінюють форму вихідного сигналу, але причини їхньої появи й методи компенсації різні.
Нелінійні спотворення пов'язані з наявністю у схемі підсилювача нелінійних елементів (транзисторів, діодів, трансформаторів і т.д.). Оцінюються вони коефіцієнтом нелінійних спотворень.
,
де n-номер гармонік.
Лінійні спотворення пов'язані з наявністю у схемі підсилювача частотнозалежних елементів (транзисторів, діодів, конденсаторів, індуктивностей і т.д.). Тому коефіцієнт підсилення в загальному випадку розглядається як комплексне число:
,
де К(w) – модуль коефіцієнта підсилення, j(w) – фаза коефіцієнта підсилення (чи аргумент).
На практиці окремо розглядають залежність від частоти (f) модуля й аргументу. Тому вводять поняття амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) (рис. 6.2, а) і фазочастотної характеристики (ФЧХ) (рис. 6.2, б).
При оцінці нерівномірності частотної характеристики підсилювача користуються коефіцієнтом частотних спотворень М(w), що дає кількісну оцінку лінійних спотворень (на нижній і верхній граничній частоті):
;
,
де K0 – максимальне значення коефіцієнта К на середній частоті w0 підсилювача (w=2 
); KH – модуль коефіцієнта підсилення на нижній граничній частоті – wН; КВ – модуль коефіцієнта підсилення на верхній граничній частоті – wВ; wН, wВ визначаються за АЧХ на
рівні 0,7 К0.
| 
|
| а | б |
Рис. 6.2. Характеристики підсилювача: а – АЧХ; б – ФЧХ
Знаючи граничні частоти wн.гр і wв.гр, можна обчислити умовну смугу пропущення підсилювача:
.
Розглянемо призначення елементів, що входять до принципової схеми віртуального транзисторного підсилювача (рис. 6.3):
– джерело колекторного живлення +15 В, що живить усі транзистори;
– дільники резисторів у ланцюжку бази транзистора кожного каскаду (R1, R2; R3, R4; R5, R6);
– R1–50 кОм і R2–10 кОм для вибору початкового положення робочої точки транзистора (завдання класу "А");
– Rк–5 кОм в ланцюжку колектора транзистора кожного каскаду для навантаження транзистора; – RЕ1–300 Ом; RЕ2–700 Ом; СЕ–10 мф – у ланцюжку емітера кожного каскаду для температурної стабілізації каскаду. При відключенні конденсатора СЕ – вводиться послідовний негативний зворотний зв'язок НЗЗ за струмом.
Рис. 6.3. Принципова схема підсилювача
Розглянемо, що таке зворотний зв'язок і його вплив на параметри підсилювача.
Зворотним зв'язком називають передачу частини потужності з виходу підсилювача чи його каскаду на його вхід (рис. 6.4).
На рис. 6.4 показана структурна схема підсилювача зі зворотним зв’язком, де 
– будь-який параметр підсилювача; 
– коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку. Розрізняють два види зворотного зв'язку, що вводяться спеціально:
1) позитивний зворотний зв’язок (ПЗЗ), якщо в результаті його введення коефіцієнт підсилення зростає. При ПЗЗ фаза напруги, що подається з виходу підсилювача на його вхід (фаза напруги ЗЗ) збігається з фазою вхідного сигналу;
2) негативний зворотний зв’язок (НЗЗ), якщо в результаті введення зворотного зв’язку коефіцієнт підсилення зменшується. При НЗЗ фаза напруги зворотного зв’язку протилежна фазі вхідного сигналу. У підсилювачах, зазвичай, застосовують НЗЗ, а в генераторах коливань – ПЗЗ. Зворотний зв'язок класифікується за способом одержання напруги зворотного зв’язку на виході підсилювача (за способом одержання напруги зворотного зв’язку) і за способом подачі напруги зворотного зв’язку на вхід підсилювача. За способом одержання 
зворотні зв'язки поділяють:
– за напругою (рис. 6.5, а), якщо напруга пропорційна напрузі на виході з підсилювача 
;
– за струмом (рис. 6.5, б), якщо напруга пропорційна струму навантаження 
;
– комбіновану (рис. 6.5, в).
Рис. 6.4. Структурна схема зворотного зв’язку
За способом подачі напруги на вхід підсилювача зворотні зв'язки підрозділяються:
– на послідовний зворотний зв’язок (рис. 6.6, а), якщо напруга 
подається на вхід підсилювача послідовно з напругою 
;
– на рівнобіжний зворотний зв’язок (рис. 6.6, б), якщо напруга подається на вхід підсилювача паралельно з напругою .
| 
| 
|
| а | б | в |
Рис. 6.5. Класифікація зворотних зв’язків: а – за напругою; б – за струмом;
в – комбінований
Різні НЗЗ по-різному впливають на кількісні і якісні параметри підсилювача. Розглянемо вплив НЗЗ на коефіцієнт підсилення підсилювача. При введенні НЗЗ у підсилювач коефіцієнт підсилення за напругою зменшується:
,
де Kuзз – коефіцієнт підсилення з НЗЗ; KU – коефіцієнт підсилення підсилювача без зворотного зв’язку; bU – коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв’язку.
а б
Рис. 6.6. Класифікація зворотних зв’язків: а – послідовний;
б – паралельний
При цьому поліпшується стабільність підсилювача. Розглянемо вплив зворотного зв’язку на вхідний опір 
. Вхідний опір підсилювача чи каскаду залежить від того, як напруга зворотного зв’язку подається на вхід підсилювача. Якщо зворотний зв’язок послідовний, то 
збільшується:
а якщо зворотний зв’язок рівнобіжний, то зменшується:
.
Отже, RВХ.ЗЗ, не залежить від того, яким є зворотний зв’язок – за струмом чи за напругою, а залежить від того – послідовний чи рівнобіжний.
Вплив НЗЗ на RВИХ. НЗЗ за напругою зменшує RВИХ. ЗЗ:
,
а НЗЗ за струмом збільшує RВИХ. ЗЗ:
.
Отже, RВИХ. ЗЗ не залежить від того, як подається напруга 
на вхід підсилювача (послідовно чи паралельно), а залежить від способу одержання .
Слід також зазначити, що НЗЗ поліпшує якісні параметри підсилювача чи його каскадів. Так, при НЗЗ АЧХ спрямляється, тобто збільшується його смуга пропущення, а ФЧХ стає більш лінійною.