Самовозбуждению усилителя

На 4.36,6 приведена принципиальная схема усилительного каскада на микросхеме 140УД1А. При указанных номиналах навесных элементов схемы усилитель обеспечивает усиление в полосе частот до 2 МГц с коэффициентом усиления, равным 56, что довольно точно соответствует формуле (4.41). Корректирующая цепочка С\, R^ предназначена для коррекции частотной характеристики усилителя. Если цепь отрицательной обратной связи поворачивает фазу сигнала на 180° (микросхема также сдвигает фазу сигнала на 180°), а усиление усилителя больше величины, обратной коэффициенту передачи звена обратной связи, то возможно самовозбуждение усилителя (см. § 4.3) на частоте, которой соответствует общий фазовый сдвиг по замкнутому контуру в 360°. Корректирующая цепочка позволяет снизить значение коэффициента усиления на частоте самовозбуждения или уменьшить фазовый сдвиг на той частоте, где петлевое усиление приближается к единице.

возможно самовозбуждение усилителя, при этом прямая /ос = Рос/н должна проходить круче начальной части характеристики /р(/упр) без обратной связи ( 11.7). Графическое построение характеристи- Рис 117

Электронные генераторы бывают с внешним и внутренним возбуждением. Генераторы с внешним возбуждением управляются от постороннего источника сигналов, а генераторы с внутренним возбуждением — автогенераторы — возбуждаются самостоятельно. Для объяснения работы любого электронного генератора его структурную схему представляют в виде усилителя и цепи положительной обратной связи (см. гл. 10). В гл. 10 было показано, что коэффициент усиления такого усилителя, охваченного положительной обратной связью, /Сос = Л"/(1 — Kft) • При К$<[ введение положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления усилителя. Однако если произведение /(р приближается к единице, положение меняется — на выходе усилителя наблюдаются колебания даже при отсутствии сигнала на входе. Происходит самовозбуждение усилителя — превращение усилителя в генератор. Электронный автогенератор работает следующим образом. Сразу же после включения источника питания появляется некоторое напряжение на выходе усилителя (оно возникает либо из-за бросков тока, появляющегося при включении, либо из-за флуктуации токов и напряжений шума во всех элементах реальных электронных цепей). Это начальное напряжение усиливается усилителем и через цепь обратной связи в фазе подается на вход усилителя. Происходит самовозбуждение генератора, и напряжение на выходе усилителя

4.4. Многочисленные входы позволяют получить инвертированные и неинвертированные сигналы, охватить схему обратными связями, подключив при этом к различным выводам корректирующие фильтры, преддтвращающие самовозбуждение усилителя.

В качестве импульсных усилителей и видеоусилителей можно использовать быстродействующие ОУ (см. § 5.4). Охватив ОУ обратной связью, можно получить требуемый коэффициент усиления. При этом, чтобы предотвратить самовозбуждение усилителя, применяют корректирующие цепи, которые, как правило, существенно сужают полосу пропускания ОУ в области высших частот. Даже при использовании быстродействующих ОУ, обладающих предельной частотой порядка сотен мегагерц, на их основе удается построить усилители с полосой пропускания не более десятков мегагерц. Поэтому импульсные усилители и видеоусилители выпускаются в виде специальных ИМС. В настоящее время в качестве таких усилителей широко применяются полупроводниковые токовые двойки, как, например, К119УП1; К119УИ1; К218УИ2. Указанные ИМС представляют собой двухкаскад-ные усилители с параллельной отрицательной обратной связью по току. Коэффициент усиления такой токовой двойки можно изменять путем соответствующего подбора параметров цепи обратной связи.

Междуэлектродные емкости триодов ограничивают их частотный диапазон. Выходная емкость Сак шунтирует нагрузку, уменьшая коэффициент усиления. Входная Сск и проходная Cra емкости образуют так называемую динамическую входную емкость, которая шунтирует нагрузку предыдущего каскада усилителя. Кроме того, в усилителях через проходную емкость Сса может осуществляться паразитная обратная связь, вызывающая самовозбуждение усилителя (см. § 7.3).

23. Какими причинами может вызываться самовозбуждение усилителя?

При рассмотрении усилителей с обратной связью было показано, что существование автбколебаний в усилителе (самовозбуждение усилителя) возможно при выполнении следующих условий:

При конечном внутреннем сопротивлении генератора входного сигнала ток, протекающий через конденсатор обратной связи, создает дополнительное напряжение затвора, которое складывается с напряжением ивх, т. е. возникает обратная связь по напряжению. На высоких частотах она может быть положительной — возможно самовозбуждение усилителя. Следовательно, при конструировании транзисторов необходимо уменьшить емкость перекрытия затвор—• сток. Для транзисторов со встроенным каналом размер затвора может быть меньше расстояния исток — сток, что позволяет резко уменьшить емкость затвор — сток и повысить рабочие частоты.

ляется емкостная связь. Применение трансформаторов нецелесообразно, так как они приводят к большим фазовым сдвигам, в результате которых обратная связь может стать положительной и вызвдть самовозбуждение'усилителя.

Паразитная обратная связь может быть отрицательной и положительной. Отрицательная обратная связь может вызвать непредусмотренное .расчетом значительное уменьшение коэффициента усиления усилителя и поэтому является нежелательной. При положительной обратной связи, наоборот, коэффициент усиления увеличивается, но вместе с тем растут нелинейные и частотные искажения сигнала, а также возможно самовозбуждение усилителя.

Каскоды. Кроме простейших однокаскадных усилителей, рассмотренных ранее, элементарными базовыми каскадами аналоговых ИМС являются многокаскадные секции. Типичным представителем таких секций является каскадный усилитель — каскод. Каскад представляет собой двухкаскадный усилитель, на входе которого включен усилительный каскад, а на выходе — повторитель тока. Существенным отличием каскодов является последовательное включение усилительных элементов, обусловливающее протекание одного и того же тока (переменной составляющей) через оба каскада. Обобщенная схема каскода приведена на 2.5. Первый каскад 7\ представляет собой элементарный усилительный каскад, второй Тг — повторитель тока. Усилительный каскад может быть выполнен на БТ с общим эмиттером или на ПТ с общим истоком. Повторитель тока реализован на БТ с общей базой или ПТ с общим затвором. Основным достоинством каскодной схемы является уменьшение влияния переходной емкости, связывающей выход со входом, приводящего к самовозбуждению усилителя. Входное сопротивление каскода определяется входным сопротивлением входного каскада в режиме короткого замыкания и практически не зависит от сопротивления и емкости нагрузки, выходное сопро-

Положительная обратная связь часто приводит к самовозбуждению усилителя, т. е. к переходу его в генераторный режим. При этом переменное напряжение на выходе существует даже в отсутствие входного сигнала. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но одновременно повышает устойчивость работы усилителя. Поэтому она широко применяется в усилителях.

штабных резисторов R2/R1 (которые необходимо подбирать с погрешностью не более 0,1 %). Работа операционных усилителей при широком диапазоне частот осложняется тем обстоятельством, что коэффициент усиления существенным образом зависит от частоты сигнала. На 47 дается график зависимости коэффициента усиления /С2 — амплитудно-частотной характеристики АЧХ типового операционного усилителя (без обратной связи) от частоты. Уменьшение усиления с повышением частоты объясняется инерционностью процессов прохождения носителей зарядов в активных компонентах усилителя (в биполярных и полевых транзисторах) и наличием в схеме усилителя неконтролируемых емкостных связей. Наряду с уменьшением усиления внутренние емкостные связи в операционном усилителе приводят к появлению фазового сдвига, который с повышением частоты возрастает до очень больших значений. Например, в соответствии с фазочастотной характеристикой cpz ( 47), на частоте 10й Гц дополнительный фазовый сдвиг в рассматриваемом операционном усилителе достигает 180°. Поэтому если усилитель охвачен обратной связью по инвертирующему входу, то, будучи отрицательной на низких частотах (до 104—106 Гц), обратная связь станет на частоте 10е Гц положительной, что приведет к самовозбуждению усилителя и превращению его в генератор незатухающих колебаний. Для исключения этого в операционных усилителях применяют фазочастот-ную коррекцию, подключая корректирующие конденсаторы и резисторы, подобранные таким образом, чтобы скомпенсировать внутренний фазовый сдвиг. Элементы коррекции могут быть неотъемлемой частью схемы операционного усилителя и создаваться в процессе изготовления его интегральной микросхемы или подключаться дополнительно к его внешним выводам.

Из (10.3) видно, что введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления, но при этом улучшаются все другие характеристики, что в ряде случаев значительно важнее. Чем больше произведение /ф, тем существеннее улучшаются характеристики устройства, поэтому в них и применяют схемы отрицательной обратной связи с К&^>\. Обычно устройствами с отрицательной обратной связью бывают различные усилители. Казалось бы, при этом усилитель с отрицательной обратной связью не может самовозбудиться, так как знаменатель выражения (10.3) положителен. Однако в реальных схемах всегда имеются реактивные элементы, которые создают дополнительные фазовые сдвиги. Если на какой-нибудь частоте в усилителе или в цепи обратной связи появится дополнительный фазовый сдвиг 180°, то это означает, что на этой частоте отрицательная обратная связь стала положительной, что может привести к самовозбуждению усилителя. Чаще всего такой фазовый сдвиг происходит или на очень низких, или на очень высоких частотах.

возвратная разность может уменьшиться и критическая точка (—1; 0) оказаться внутри годографа. Это приведет к самовозбуждению усилителя, которое не прекращается даже после исчезновения возмущения.

В диапазоне низких частот сопротивления этих емкостей очень велики и их шунтирующее действие пренебрежимо мало. На высоких частотах емкостные сопротивления становятся соизмеримыми с сопротивлениями входной и выходной цепей лампы и на частотах порядка десятков и сотен мегагерц нарушают нормальную работу триода. Однако и на более низких частотах влияние междуэлектродных емкостей оказывается вредным. Так, например, емкость Сас, образующая нежелательную проводимость между выходом и входом лампы, при работе триода в усилительном режиме может привести к самовозбуждению усилителя.

?Лшх и Um и кроме емкостной входной проводимости на высоких частотах появляется активная проводимость. Эта проводимость отрицательна при емкостном характере нагрузки [17], что может привести к самовозбуждению усилителя. Поэтому при работе с емкостной нагрузкой в цепь сетки часто включают резистор R (как по-

Выполнить условие Л'(/'»)р' (о) = Л'(<») i(iu) в широком диапазоне частот не удается вследствие изменения сдвига фаз как в усилителе, так и в цени обратной снязп. Поэтому ОС становится комплексной, а на некоторых частотах может даже измениться с ООС па ПОС. При определенных параметрах Д'(о)) п (:)(<<>) это может привести к самовозбуждению усилителя. Поэтому необходимо исследовать устойчивость усилителей с обратной связью.

Поскольку значения at и а2 близки к единице, можно заключить, что а = o^cta ненамного отличается от коэффициента передачи в одном транзисторе VT1. Следовательно, и коэффициент усиления напряжения в каскодной схеме практически не будет отличаться от коэффициента усиления обычного однотранзисторного каскада. Не давая выигрыша по коэффициенту усиления, каскод, однако, имеет важное преимущество по сравнению с простейшим усилителем. Это преимущество состоит в отсутствии связи между точкой выхода (коллектор транзистора VT2) и точкой входа (база транзистора VT1), тогда как в простейшем усилителе такая паразитная обратная связь имеется (через емкость коллекторного перехода Ск и сопротивление гк). На высоких частотах подобная обратная связь нарушает устойчивость работы схемы и может привести к самовозбуждению усилителя. •*

В диапазоне низких частот сопротивления этих емкостей очень велики и их шунтирующее действие пренебрежимо мало. На высоких частотах емкостные сопротивления становятся соизмеримыми с сопротивлениями входной и выходной цепей лампы и на частотах порядка десятков и сотен мегагерц нарушают нормальную работу триода. Однако и на более низких частотах влияние междуэлектродных емкостей оказывается вредным. Так, например, емкость Сас, образующая нежелательную проводимость между выходом и входом лампы, при работе триода в усилительном режиме может привести к самовозбуждению усилителя.

Если при этом р/«1, то знаменатель выражения (7.6) меньше единицы и Ксв больше К. Следовательно, положительная обратная связь при р/С<1 увеличивает коэффициент усиления усилителя. При р/С= 1 значение Ксв становится бесконечно боль-шим, что, как показано ниже, физически соответствует самовозбуждению усилителя.