Индуктивность транзистора VT2 между эмиттером и общим проводом равна:

,

где k=(1,2…1,6).

Резистор R служит для увеличения индуктивности и ее подстройки (при гибридно-пленочной технологии лазерной подгонкой или выносными резисторами).

         В области НЧ (БВ) находит применение коррекция коллекторным (стоковым) фильтром.

         Схема каскада с НЧ-коррекцией на БТ и его упрощенная (учитывающая влияние только ) схема для области НЧ изображены на рисунке 2.44.

Физически уменьшение  объясняется относительным увеличением коэффициента передачи в области НЧ за счет увеличения эквивалентной нагрузки каскада путем добавления емкостного сопротивления в цепь коллектора на НЧ. Эффект уменьшения спада плоской вершины импульса D поясняется эпюрами напряжения, приведенными на рисунке 2.44б.

         В идеальном случае, при , условием коррекции будет равенство постоянных времен  и [6]. В реальных схемах рекомендуется брать , для подъема вершины импульса на (10…20)% можно воспользоваться соотношением:

.

3. УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

         3.1. Общие сведения

         Обратная связь (ОС) находит широкое применение в разнообразных АЭУ, в т.ч. и в УУ. В УУ введение ОС призвано улучшить ряд основных показателей или придать новые специфические свойства. Особую, принципиальную роль ОС играет в микроэлектронных УУ. Можно утверждать, что без широкого использования ОС было бы крайне трудно осуществить серийный выпуск линейных ИМС.

         Обратной связью называется передача части (или всей) энергии сигнала с выхода на вход устройства. Сниматься сигнал обратной связи может с выхода всего устройства или с какого-либо промежуточного каскада. ОС, охватывающую один каскад, принято называть местной, а охватывающую несколько каскадов или весь многокаскадный УУ - общей.

         Структурная схема УУ с ОС приведена на рисунке 3.1.

         Обычно коэффициент усиления УУ  и коэффициент передачи цепи ОС  носят комплексный характер, что указывает на возможность фазового сдвига в областях НЧ и ВЧ за счет наличия реактивных элементов как в самом УУ, так и в цепи ОС.

         Коэффициент передачи цепи ОС   равен:

.

         Согласно классической теории ОС, влияние ОС на качественные показатели УУ определяются возвратной разностью (глубиной ОС):

,

где - определитель при равенстве нулю параметра прямой передачи. Равенство нулю этого параметра равносильно разрыву замкнутой петли передачи сигнала с сохранением нагружающих иммитансов в месте разрыва.

         Следование классической теории ОС приводит к сложности вычислений, преодолимой только с помощью ЭВМ.

         Для эскизных расчетов пригодна элементарная теория ОС [6].                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  Ее применение допустимо тогда, когда есть возможность разделения цепей прямой передачи  и обратной передачи  . В реальных УУ четкого разделения этих цепей невозможно, поэтому расчеты с помощью элементарной теории ОС приводят к погрешности результатов, впрочем, вполне допустимой для эскизного проектирования. Согласно элементарной теории ОС, глубина ОС определится как:

.

         Тогда

.

         Если >0 - ОС носит положительный характер (ПОС), если <0- ОС отрицательная (ООС), в последнем случае

,

.

         Нетрудно увидеть, что в случае ПОС фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются, что приводит к увеличению коэффициента усиления, в случае  же ООС несовпадение фаз входного сигнала и сигнала обратной связи приводит к их вычитанию, и, следовательно, к уменьшению коэффициента усиления.

         Обратная связь может специально вводиться в УУ для изменения его характеристик, а также возникать за счет влияния (обычно нежелательного) выходных цепей на входные (паразитная ОС).

         ПОС находит применение в генераторах, а иногда и в частотно-избирательных усилителях, в большинстве усилителей ПОС является паразитной.

         Основное применение в УУ находит ООС. Она позволяет повысить стабильность работы усилителей, а также улучшить другие важные параметры и характеристики. Сразу следует подчеркнуть, что снижение коэффициента усиления в современных УУ за счет ООС не является сегодня уж очень значительным фактором, т.к. широко используемые микроэлектронные структуры с большими собственными коэффициентами усиления позволяют иметь значительный по величине К. В дальнейшем основное внимание будет уделено именно ООС. ООС классифицируется в зависимости от способов подачи сигналов ООС во входную цепь усилителя и снятия их с выхода усилителя. Если во входной цепи вычитается ток ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной (т.к. выход цепи ООС подключен параллельно входу усилителя).

         Если же во входной цепи вычитаются напряжения входного сигнала и сигнала обратной связи, то такую ООС называют последовательной (т.к. выход цепи ООС подключен последовательно входу усилителя).

         По способу снятия сигнала обратной связи различают ООС по напряжению, когда сигнал ООС пропорционален выходному напряжению усилителя (вход цепи ООС подключен параллельно нагрузке усилителя), и ООС по току, когда сигнал ООС пропорционален току через нагрузку (вход цепи ООС подключен последовательно с нагрузкой усилителя).

         Таким образом, следует выделить четыре основных варианта цепей ОС (рис.3.2):

 последовательная по току (последовательно- последовательная, Z-типа), последовательная по напряжению (последовательно- параллельная, H- типа), параллельная по напряжению (параллельно- параллельная, Y-типа) и параллельная по току (параллельно- последовательная,G- типа). Существуют и смешанные (комбинированные) ООС.

         3.2. Последовательная ООС по току

         Схема каскада с последовательной ООС по току (ПООСТ) на ПТ  с ОИ приведена на рисунке 3.3.

 При ПООСТ в выходной цепи усилителя последовательно с нагрузкой включается специальная цепь (на рисунке 3.3 это ), напряжение на которой пропорционально выходному току. Во входной цепи усилителя  алгебраически складывается с входным напряжением. В области СЧ (=0) можно записать

.

Проведя анализ каскада по методике подраздела 2.3, получим:

.

Поскольку (см. подраздел 2.9), то при глубокой ООС (F>10) . Из полученного выражения следует, что ПООСТ обеспечивает стабильность усиления по напряжению при условии постоянства нагрузки.

С помощью ПООСТ удается уменьшить нелинейные искажения в УУ, поскольку с увеличением F будет уменьшаться напряжение управления усилителем, его работа станет осуществляться на меньшем участке ВАХ активного элемента (транзистора), а это приведет к уменьшению коэффициента гармоник. В подразделе 8.1 приведены расчетные соотношения для коэффициента гармоник усилителя, охваченного ООС последовательного типа. Приближенно оценить влияние ПООСТ на коэффициент гармоник можно по соотношению:

.

Все вышесказанное в равной мере относится и к каскаду на БТ с ОЭ и ПООСТ (схема каскада не приводится ввиду  идентичности ее топологии  схеме рисунка 3.3).

Входное сопротивление усилителя с ООС определяется способом подачи напряжения ОС во входную цепь. Согласно элементарной теории ОС, ПООСТ увеличивает входное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

.

Выражение для входного сопротивления  каскада с ОЭ на БТ с ПООСТ, определенное по методике подраздела 2.3, имеет вид:

.

При известных допущениях последние два выражения дают близкие результаты.

Входное сопротивление каскада с ОИ на ПТ определяется (см. подраздел 2.9), поэтому практически не меняется при охвате каскада ПООСТ.

Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия напряжения ОС с нагрузки усилителя. Согласно элементарной теории ОС, ПООСТ увеличивает выходное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

.

На СЧ выходное сопротивление каскадов на ПТ (ОИ) и БТ (ОЭ) определяется в большинстве случаев соответственно номиналами  и , поэтому данная ООС его практически не меняет.

На рисунке 3.3б приведена схема каскада с ОИ и ПООСТ в области ВЧ. Данный каскад еще носит название каскада с истоковой коррекцией, т.к. основной целью введения в каскад ООС является коррекция АЧХ в области ВЧ.

Поскольку цепь ООС  () частотнозависима, то |F| с ростом частоты уменьшается относительно своего значения на СЧ, что приводит к относительному возрастанию  на ВЧ. С точки зрения коррекции временных характеристик, уменьшение  каскада объясняется  зарядом , что приводит к медленному нарастанию , и, следовательно, к увеличению коэффициента усиления в области МВ, а это, в свою очередь, сокращает время заряда , которое, собственно, и определяет .

Анализ влияния ПООСТ вначале проведем для случая резистивной цепи ОС (=0). Учитывая, что крутизна ПТ практически не зависит от частоты (см. подраздел 2.4.2), можно сказать, что во всем диапазоне рабочих частот глубина ООС F=const, уменьшение коэффициента усиления по всему диапазону рабочих часто одинаково и коррекция отсутствует.

Воспользовавшись рекомендациями подраздела 2.3,получим выражение для комплексного коэффициента передачи каскада с токовой коррекцией (цепь ОС комплексная, ) на ВЧ:

,

где .

         Анализ полученного выражения упрощается в предположении . При этом условии имеем:

,

где (см. так же подраздел 2.9).

         Уменьшение постоянной времени каскада в области ВЧ приводит к увеличению верхней граничной частоты (уменьшению ) каскада. Площадь усиления каскада с ОИ и истоковой коррекцией при этом не меняется:

.

         Расчет каскада с истоковой коррекцией в области НЧ ничем не отличается от расчета некорректированного каскада за исключением того, что формула для постоянной времени цепи истока будет выглядеть иначе:

.

         В зависимости от цели введения ООС в каскад, глубину ООС можно определить по следующим соотношениям:

, либо .

         При этом  и .

         Каскад с ОЭ и ПООСТ еще носит название каскада с эмиттерной коррекцией.

         В отличие от ПТ, в БТ крутизна частотнозависима, поэтому даже при частотно-независимой цепи ООС (=0) наблюдается эффект коррекции АЧХ и ПХ за счет уменьшения глубины ООС на ВЧ:

,

где  (см. так же подраздел 2.5).

         Нетрудно увидеть, что эмиттерная коррекция каскада на БТ при частотно-независимой цепи ООС (=0) эффективна при , т.е. в каскадах с малой емкостью нагрузки.

         Воспользовавшись рекомендациями подраздела 2.3,получим выражение для комплексного коэффициента передачи каскада с эмиттерной коррекцией в области ВЧ:

,

где , .

         Эмиттерная коррекция позволяет значительно увеличить (уменьшить ) при заданных величинах подъема АЧХ на ВЧ (выброса ПХ d в области МВ). Готовые таблицы и графики для расчета каскада с эмиттерной коррекцией приведены  в [6].

         Входная емкость каскада с ПООСТ уменьшиться примерно в F раз:

.

         Расчет каскада с ОЭ и ПООСТ в области НЧ ничем не отличается от каскада без ОС (следует только учитывать изменение при расчете постоянных времени разделительных цепей), исключение составляет расчет постоянной времени цепи эмиттера:

.

         3.3. Последовательная ООС по напряжению

Входное сопротивление усилителя с ООС определяется способом подачи напряжения ОС во входную цепь. Согласно элементарной теории ОС, последовательная ООС по напряжению (ПООСН) увеличивает входное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

.

Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия напряжения ОС с нагрузки усилителя. Согласно элементарной теории ОС, ПООСН уменьшает выходное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

.

Уменьшение выходного сопротивления УУ снижает зависимость выходного напряжения от изменения величины нагрузки, следовательно, можно утверждать, что ПООСН стабилизирует коэффициент усиления по напряжению при изменении нагрузки. Ранее были рассмотрены эмиттерный и истоковый повторители, в которых имеет место 100%-ная ПООСН (подразделы 2.8, 2.11), поэтому ограничимся иллюстрацией применения ПООСН - трехкаскадным интегральным усилителем с внешней цепью ОС (резистор , рисунок 3.4).

 Возможность менять глубину общей ООС значительно расширяет сферу применения данного усилителя и делает ИМС многоцелевой.

3.4. Параллельная ООС по напряжению

Согласно элементарной теории ОС, параллельная ООС по напряжению (||ООСН) не меняет коэффициент усиления по напряжению  усилителя, но за счет изменения его входного сопротивления меняется сквозной коэффициент усиления . В результате уменьшения входного сопротивления  к входу усилителя приложится напряжение

,

где  - коэффициент передачи входной цепи УУ.

По аналогии с  можно записать:

.

При глубокой ||ООСН (>>1) получаем:

.

Входное сопротивление усилителя с ||ООСН определится как:

,

где глубина ООС по току  , .

         Величину выходного сопротивления УУ, охваченного ||ООСН, можно приближенно оценить по уже известному соотношению:

.

         Из изложенного следует, что ||ООСН стабилизирует сквозной коэффициент усиления по напряжению при постоянном сопротивлении источника сигнала, уменьшает входное и выходное сопротивления усилителя.

Каскад на БТ с ОЭ и ||ООСН представлен на рисунке 3.5.

При ||ООСН выходное напряжение каскада вызывает ток ОС, протекающий через цепь ОС   . Ранее (см. подраздел 2.6) рассматривалась схема коллекторной термостабилизации, работа которой основана на действии ||ООСН. В данном же каскаде ||ООСН действует только на частотах сигнала, что отражено на рисунке 3.5б.

Воспользовавшись рекомендациями подраздела 2.3, получим выражения для основных параметров в области СЧ. Для коэффициента усиления по напряжению получим:

,

т.к. , . В большинстве случаев , поэтому  меняется незначительно. Само же изменение  объясняется тем, что, в отличие от классической структуры УУ с ||ООСН, в реальной схеме каскада нет столь четкого разделения цепи ОС и цепи прямого усиления.

         Входное сопротивление каскада с ||ООСН равно:

.

Обычно ,  и , тогда

.

Выходное сопротивление каскада с ||ООСН равно:

,

т.к. как правило  и .

         Для определения параметров каскада в области ВЧ следует воспользоваться соотношениями для каскада с ОЭ (см. подраздел 2.5), принимая во внимание, что при расчете постоянной времени каскада  следует учитывать выходное сопротивление каскада с ||ООСН, т.е.  и влияние ||ООСН на крутизну - .

Следует заметить, что существует возможность коррекции АЧХ (ПХ)  в области ВЧ (МВ)   путем включения последовательно с  корректирующей индуктивности . Эффект коррекции объясняется уменьшением глубины ООС в области ВЧ (МВ). Расчет каскада с ОЭ и ||ООСН в области НЧ ничем не отличается от расчета каскада без ОС (следует только учитывать изменение  и  при расчете постоянных времени разделительных цепей), исключение составляет расчет разделительной емкости  из условия .

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14