На какие параметры усилителя влияет емкость нагрузки
Перейти к содержимому

На какие параметры усилителя влияет емкость нагрузки

  • автор:

4.5. Влияние емкости нагрузки и входной емкости на устойчивость оу

Пусть ОУ без ОС является системой первого порядка, т.е. его АЧХ не имеет изломов и спадает со скоростью –20дБ/дек. Если ОС частотно-независимая, то порядок возвратного отношения также будет первым (рис.4.11,б). ОУ характеризуется своей частотой единичного усиления и действительным выходным сопротивлением (рис.4.11,а). Выходной емкостью ОУ или пренебрегают, или относят к емкости нагрузки.

Рис.4.11. Операционная схема второго порядка: а – эквивалентная схема; б — АЧХ

Инерционное звено создает полюс на частоте

На этой частоте возникает излом (рис.4.11,б) и далее АЧХ спадает со скоростью –40дБ/дек, т.е. усилитель ведет себя как операционная схема второго порядка с собственной частотой

и коэффициентом затухания

согласно формулам (4.10) и (4.11).

При возрастании емкости уменьшается k, возрастает Mp и  и уменьшается запас устойчивости по фазе (см.табл.4.2), т.е. схема приближается к неустойчивому состоянию. Это объясняется тем, что на высоких частотах емкость нагрузки вносит дополнительные фазовые сдвиги и ОС меняет знак, — из отрицательной становится положительной, это вызывает подъем АЧХ и выброс на переходной характеристике.

Из (4.19) следует, что при =const ( ) коэффициент затухания k тем меньше, чем больше частота единичного усиления ОУ . Этот факт является одной из причин, почему для ОУ широкого применения выбирается около 1MГц (не выше!).

Наличие входной емкости ОУ (рис.4.12,а) уменьшает запас устойчивости с

Рис.4.12. Влияние входной емкости ОУ на запас устойчивости схемы:

а – эквивалентная схема; б — АЧХ

хемы, переходная характеристика принимает вид затухающей синусоиды (рис.4.7,б) (возникает “звон”).

Если, как и прежде, считать ОУ без ОС системой первого порядка, то при учете входной емкости порядок возвратного отношения будет второй, т.к. ОС станет частотно – зависимой и

где — коэффициент передачи ЦОС на нулевой частоте.

Второй полюс возникает на частоте

Дальнейшие рассуждения идентичны предыдущему случаю (влияние емкости нагрузки ), только необходимо заменить на , а на .

4.6. Частотная коррекция в цепи ос

Из разд.4.5 следует, что наличие и уменьшает запас устойчивости устройства. Как скомпенсировать (уменьшить) вредное влияние этих емкостей?

Сформулируем условие устойчивости ОУ с частотно-зависимой ОС.

В точке пересечения относительный наклон характеристик K(f) и 1/B(f) не должен превышать 20 дБ/дек.

На рис.4.13,б под цифрой 1 показана зависимость 1/B(f), построенная на основании формулы (4.20). В точке пересечения характеристик K(f) и 1/B(f) их относительный наклон составляет 40 дБ/дек, т.е. запас устойчивости по фазе будет меньше

45. Включим конденсатор малой емкости С в цепь ОС (рис.4.13,а), тогда

Рис.4.13. Компенсация входной емкости: а – схема; б — АЧХ

. (4.22)

Зависимость модуля выражения (4.22) обозначена на рис. 4.13,б цифрой 2. Видно, что взаимный наклон АЧХ K(f) и 1/B(f) уменьшается до 20дБ/дек, что гарантирует запас устойчивости не менее 45. При соблюдении условия частоты изломов на АЧХ 2 совпадут и она примет вид горизонтальной прямой, проходящей на уровне и ОС становится частотно-независимой.

Как отмечалось в разд. 4.5, наличие емкости нагрузки СН приводит к дополнительному излому АЧХ петлевого усиления |K(P)B(P)| (рис.4.11,б), что вызывает уменьшение запаса устойчивости по фазе.

Рис.4.14. Схемы, устраняющие влияние емкости нагрузки

дним из методов борьбы с влиянием емкости — подбор ОУ с низким выходным сопротивлением. Чем ниже выходное сопротивление ОУ, тем на большую емкость он может работать без потери устойчивости, т.к. при этом возрастает частота второго излома (частота полюса) (4.17).Избежать генерации можно также, используя дополнительный резистор Rдоп отключающий емкость нагрузки от выхода ОУ (рис. 4.14.а), в этом случае ОС становится частотно-независимой, взаимный наклон АЧХ ОУ и 1/B(f) в точке пересечения этих характеристик составит 20дБ/дек, что обеспечивает требуемый запас устойчивости.

Колебания прекращаются , и “звон” исчезает. Однако вместе с тем утрачивается полезное свойство ОУ – независимость выходного напряжения от нагрузки.

Выходное сопротивление ОУ снова вернется к низкоомному значению, если сопротивление Rдоп ввести в петлю ОС и включить компенсирующий конденсатор С малой емкости между выходом и инвертирующим входом (рис.4.14,б). В этом случае возникает два параллельных канала передачи сигнала в ЦОС. На низких частотах сопротивления обоих конденсаторов велики и коэффициент передачи ЦОС 1/Bнч определяется только резистивными элементами (рис.4.15,а и б). На очень высоких частотах сопротивления конденсаторов С и Сн близко к нулю и ЦОС также будет состоять только из одних резисторов (рис.4.15,б), т.е. коэффициент передачи на высоких частотах 1/Bвч принимает постоянное значение , начиная с частоты .

В интервале частот имеет место переход с одной асимптоты на другую. Таким образом, элементы Rдоп и С приводят к тому, что взаимный наклон АЧХ K(f) и 1/B(f) в точке пересечения, как и в схеме рис.4.14,а составит 20 дБ/дек.

Рис.4.15. Эквивалентные схемы ЦОС на низких (а), высоких частотах (б) и АЧХ (в),

поясняющие принцип компенсации влияния емкости

астота уменьшается с увеличением сопротивления и , что благоприятно отражается на устойчивости ОУ. Сложность цепи не позволяет предложить удобную формулу для выбора корректирующих элементов. Начальным приближением может служить условие . Выбор конкретных значений Rдоп и С лучше производить экспериментально по наблюдению переходной характеристики на экране осциллографа.

Таким образом, конденсатор небольшой емкости, включенный между выходом и инвертирующим входом ОУ, эффективное средство, устраняющее многие из проблем, связанные с потерей устойчивости. Он уменьшает время установление, сужает полосу шумов, компенсирует входную емкость и противостоит влиянию емкости нагрузки.

Основные параметры усилителей

Любой усилитель, предназначенный для обработки медико-биолгических сигналов, может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис.1.1). Источник сигнала с ЭДС Евх и внутренним сопротивлением Ri подключается ко входу усилителя. Во входной цепи протекает входной ток Iвх, величина которого зависит от входного сопротивления усилителя Rвх и внутреннего сопротивления источника сигнала. За счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала напряжение на входе, которое собственно и усиливается усилителем, отличается от ЭДС источника сигнала:

Рисунок 1.1 — Эквивалентная схема усилителя

Выходным током усилителя является ток нагрузки Rн. Величина этого тока зависит от выходного напряжения , которое отличается от напряжения холостого хода kUвх за счет выходного сопротивления усилителя

Для оценки свойств усилителя вводится ряд параметров.
— Коэффициенты усиления по напряжению и току

Эти коэффициенты показывают во сколько раз изменяются значения напряжения и тока на выходе по сравнению с входными значениями. Коэффициент усиления по мощности может быть найден как

У любого усилителя KP>>1, в то время как коэффициенты усиления по току и напряжению могут быть меньше единицы. Однако если одновременно KI 3 — 108 8 ) Гц;
Усилители звуковой частоты: fН = 20 Гц, fВ = (15 — 20) · 10Гц;
Усилители высокой частоты: fН = 20*103 Гц, fВ = (200 — 300) · 103 3 Гц.
Узкополосные (избирательные) усилители. Отличительной особенностью последних является то , что они , практически, усиливают одну гармонику из всего спектра частот сигнала и у них отношение верхней и нижней граничных частот составляет:

АЧХ усилителя

Рисунок 1. 2- АЧХ усилителя

Амплитудная характеристика усилителя отражает особенности изменения величины выходного сигнала при изменении входного. Как видно из рис. 1.3 выходное напряжение не равно нулю (UВЫХmin) при отсутствии входного напряжения. Это обусловлено внутренними шумами усилителя, за счет чего ограничивается минимальное значение входного напряжения, которое может быть подано на вход усилителя и определяет его чувствительность:

Значительное увеличение входного напряжения(точка 3) приводит к тому, что амплитудная характеристика становится нелинейной и дальнейшее нарастание выходного напряжения прекращается (точка 5). Это связано с насыщением каскадов усилителя . Допустимым считается такое значение входного напряжения, при котором выходное напряжение не превышает UВЫХmax , которое, как видно из рис.1.3, располагается на границе линейного участка амплитудной характеристики. Амплитудная характеристика определяет динамический диапазон усилителя:

Иногда для удобства динамический диапазон вычисляют в децибеллах, как:

Амплитудная характеристика усилителя

Рисунок 1. 3 — Амплитудная характеристика усилителя

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) усилителя определяет степень искажения формы синусоидального сигнала в процессе усиления. Искажения сигнала означают, что в его спектре наряду с основной (первой) гармоникой появляются гармоники более высоких порядков. Исходя из этого, коэффициент нелинейных искажений может быть найден , как:

где Ui – напряжение гармоники с номером i>1. Нетрудно увидеть, что при отсутствии в выходном сигнале высших гармоник , КГ = 0, т.е. синусоидальный сигнал со входа на выход передается без искажений . Входное и выходное сопротивление оказывают довольно ощутимое влияние на работу усилителя. При усилении изменяющихся или переменных сигналов сопротивления могут быть найдены как:

На постоянном токе эти параметры могут быть определены по упрощенным формулам

При определении входного и выходного сопротивлений необходимо помнить, что в ряде случаев они могут иметь комплексный характер за счет реактивных элементов схемы. В этом случае могут возникнуть значительные частотные искажения сигнала, особенно в диапазоне высоких частот. Усиление сотовой связи: усилитель сотового сигнала gsm.

Частотная характеристика усилителя

Частотной характеристикой усилителя ( рис. 136, б ) называется графически выраженная зависимость коэффициента усиления от частоты: К = φ (F). Коэффициенты усиления реального усилителя уменьшаются в области нижних и верхних частот, образуя «завалы» частотной характеристики на этих крайних частотах.

Обычно при построении частотной характеристики по оси абсцисс откладывают частоты в логарифмическом масштабе, а по оси ординат — коэффициент усиления в децибелах.

Рассмотрим подробнее причины, которые вызывают уменьшение коэффициентов усиления К н и К в , соответственно на нижних и верхних частотах рабочего диапазона усилителя. Выше было установлено, что напряжения источника анодного питания, смещения и экранирующей сетки определяют положение первоначальной (исходной) рабочей точки, от правильного выбора которой зависит величина нелинейных искажений, вносимых усилительным элементом. Наличие же в схеме развязывающего фильтра R ф , С ф обеспечивает устойчивую работу усилителя.

Если предположить, что режим работы усилителя выбран правильно, то эквивалентная схема усилительного каскада, позволяющая определить влияние элементов схемы на прохождение сигнала, может быть представлена и виде, показанном на рис. 137, а , где μU с и R i — э. д. с. и внутреннее сопротивление эквивалентного генератора, вменяющего лампу; R а — сопротивление анодной нагрузки; С с — разделительный конденсатор; R с — сопротивление утечки; С 0 = С вых + С’ вх + С м — общая емкость, учитывающая выходную емкость усилительного элемента, динамическую входную емкость усилительного элемента следующего каскада С’ вх = С вх + С ас (1 + К 2 ) где К 2 — коэффициент усиления следующего каскада, и емкость монтажа (последняя невелика — порядка нескольких десятков пикофарад).

Рис. 137. Эквивалентные схемы усилителя на сопротивлениях: а — полная; б — на средних частотах; в — на нижних частотах; г — на верхних частотах.

Таким образом, полной нагрузкой усилителя Z н является сложная электрическая цепь, состоящая из сопротивлений и емкостей: R а , С с , R с и С 0 . Чем больше сопротивление нагрузки, тем выше напряжение на выходе U вых (при неизменных μU с и R i ).

В области средних частот сопротивление конденсатора С c много меньше, а сопротивление емкости С 0 много больше сопротивления R c , поэтому влиянием этих емкостей можно пренебречь. Эквивалентная схема с учетом этих допущений приведена на рис. 137, б .

Известно, что коэффициент усиления на средних частотах, согласно определению, равен

Тогда, исходя из эквивалентной схемы, напряжение на выходе (на нагрузке)

Разделив числитель и знаменатель дроби на произведение R а R с , получим

Подставив полученный результат в выражение для К ср , получим формулу для коэффициента усиления на средних частотах в окончательном виде:

Как можно видеть из этой формулы, коэффициент усиления в области средних частот не зависит от частоты, всегда меньше статического коэффициента усиления лампы μ и оказывается тем больше, чем больше сопротивления R а и R с по сравнению с внутренним сопротивлением лампы R i .

Если усилитель собран на пентоде, то, пренебрегая влиянием R с на усилительные свойства каскада, можно рассчитать коэффициент усиления на средних частотах по приближенной формуле

так как R i >>R а

Эквивалентная схема усилителя в области нижних частот приведена на рис. 137, в . На этих частотах сопротивление разделительного конденсатора С с увеличивается примерно в 10 раз по сравнению с сопротивлением на средних частотах. Напряжение на выходе усилителя падает вследствие увеличившихся потерь напряжения усиленного сигнала на разделительном конденсаторе. Влиянием С 0 в области нижних частот можно пренебречь по той же причине, что и на средних частотах, но с еще большим основанием.

Исходя из указанных условий, коэффициент усиления на нижних частотах определяется по формуле

где Ω н = 2πF н — угловая частота сигнала самой нижней частоты.

Как можно видеть из формулы (229), коэффициент усиления в области нижних частот меньше коэффициента усиления в области средних частот; тем меньше, чем ниже частота и тем выше, чем больше произведение R с C с .

Эквивалентная схема усилительного каскада на сопротивлениях в области верхних частот приведена на рис. 137, г . Разделительный конденсатор С с отсутствует в данной схеме по известным уже причинам, но шунтирующее действие конденсатора С 0 на сопротивление R с приходится учитывать, так как эти сопротивления становятся соизмеримыми.

Исходя из указанных условий, коэффициент усиления на верхних частотах определяется по формуле

где Ω в = 2πF в — угловая частота сигнала самой верхней частоты F в ; R э = R i R а /R i +R а — эквивалентное сопротивление усилителя.

Коэффициент усиления в области верхних частот меньше коэффициента усиления на средних частотах; тем ниже, чем выше частота, и тем выше, чем меньше емкость С 0 и сопротивление R э .

Таким образом, снижение усиления, появление частотных искажений в области нижних частот вызывает конденсатор С с , а в области верхних частот — конденсатор С 0 .

Частотные искажения усилительного каскада на сротивлениях определяют последующим формулам:

на нижних частотах

на верхних частотах

Чтобы поднять усиление в области нижних звуковых частот, и тем самым уменьшить частотные искажения, надо, следовательно, увеличить емкость разделительного конденсатора С с и величину сопротивления утечки R с .

Чтобы поднять усиление в области верхних звуковых частот для уменьшения частотных искажений, надо тщательно производить монтаж усилителя и тем самым уменьшить емкость С 0 .

Человеческое ухо почти не замечает наличия частотных искажений, если они не превышают 25—30%, что соответствует изменению коэффициента усиления в полосе рабочих частот на 2—3 децибела.

Фазовая характеристика усилителя на сопротивлениях определяется следующими соотношениями:

В области нижних частот сдвиг фаз определяется емкостью конденсатора С с , а в области верхних частот — емкостью С 0 , причем здесь он имеет отрицательный знак. Пользуясь формулами (233) и (234), можно определить частоту F 0 , на которой угол сдвига фаз, обусловленный емкостями С с и С 0 , равен нулю:

После несложных преобразований получаем

Частота F 0 называется квазирезонансной, на этой частоте коэффициент усиления максимален. Она расположена и середине полосы пропускания.

Следует иметь в виду, что фазовые искажения в усилителях низкой частоты не оказывают практического влияния на их работу и на качество воспроизведения сигнала.

Формула (235) позволяет определить частоту F 0 = F ср , которой соответствует коэффициент усиления К ср .

Обычно в усилительном каскаде, выполненном на триоде,

Сопротивление утечки R с в 5—10 раз больше сопротивления анодной нагрузки Сопротивление фильтра R ф = (0,2÷0,3) R а , а емкость С ф порядка единиц микрофарад. Емкость блокировочного конденсатора С бл в цепи экранирующей сетки составляет десятые доли микрофарады. Величина гасящего сопротивления R в цепи экранирующей сетки зависит от типа лампы и режима работы, но должна быть примерно в два раза больше R а .

Усилительный каскад на сопротивлениях, или, как его часто называют, реостатный каскад, прост и дешев в изготовлении, имеет малые частотные и нелинейные искажения. Однако, как уже отмечалось выше, коэффициент усиления реостатного усилителя значительно меньше статического коэффициента усиления лампы μ.

Так, при использовании триода

при использовании пентода

К недостаткам реостатного усилительного каскада следует отнести также и значительное бесполезное падение напряжения источника анодного питания на сопротивлении нагрузки.

Характеристики усилителей

В общем случае коэффициент усиления зависит как от амплитуды сигнала, так и от частоты и описывается комплексной функцией.

 АЧХ – зависимость коэффициента усиления от частоты

 ФЧХ – зависимость сдвига фазы выходного сигнала от частоты

Вид АЧХ определяет и вид ФЧХ и наоборот.

Ачх усилителей и их фчх

У реального усилителя k зависит от частоты. Область частот в пределах которых k  const = k0 – называется областью средних частот – рабочая полоса частот.

 = в — н — полоса пропускания усилителя;

н — нижняя частота полосы пропускания;

в — верхняя частота полосы пропускания.

0    н  область нижних частот

k = k() — зависит от частоты (с увеличением частоты – k увеличивается)

  в  область высоких частот

k = k()- зависит от частоты (с увеличением частоты – k уменьшается)

Спад усиления на ВЧ и НЧ обусловлен наличием реактивных элементов в усилителе и конечным быстродействием усилительного элемента.

В зависимости от АЧХ усилители делятся на:

  1. если   0, где 0 – центральная частота усиления, то это узкополосный (резонансный) усилитель.
  2.   0 – широкополосный усилитель (ШПУ) (видеоусилитель)
  3.   0 – полосовой усилитель.
  1. УНЧ – усилители низких частот (10Гц – 40 (100)кГц)
  2. УПЧ – усилители промежуточных частот (1 МГц)
  3. УВЧ – усилители высоких частот (1-100 МГц)
  4. СВЧ – сверхвысокочастотные усилители (1 ГГц)
  5. ОВЧ – особовысокочастотные усилители (1 ГГц до 20 ГГц)

У реального усилителя на НЧ и ВЧ выходной сигнал преобразует дополнительный сдвиг фазы, обусловленный наличием реактивных элементов. На НЧ это элементы связи, блокирующие и фильтрующие конденсаторы. Их влияние носит дифференцирующий характер (  0). На ВЧ влияет емкость нагрузки, монтажа, быстродействие АЭ. Их влияние носит интегрирующий характер (  0). В рабочей полосе частот   const. Зависимость k() и () для сложного входного сигнала приводит к его линейным искажениям (частотным).

 — рабочая полоса частот, в пределах которой амплитудные искажения k   3 дб, а фазовые искажения    /4.

Амплитудная характеристика

1 – область внутренних шумов усилителя. Даже при отсутствии входного сигнала на выходе присутствует хаотический шумовой сигнал. Шумы обусловлены температурными шумами элементов (тепловой шум), дискретной природой электричества (квантовый), избыточными шумами АЭ. Внутренние шумы ограничивают возможность усиления слабых сигналов снизу.

2 – область линейного усиления. Uвх = kuUвх, tg  ku

3 – область ограничения выходного сигнала (нелинейных искажений выходного сигнала). Ограничение обусловлено либо мощным источником питания, либо нелинейностью ВАХ активного элемента.

D = — это есть динамический диапазон усиления – возможность усилителя усиливать как слабые, так и сильные сигналы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *