Повернемося до однієї з схем стабілізації робочої точки

Рис 61 Схема стабілізації робочої точки

Розглянемо падіння напруги на резистори R4 Падіння напруги відбувається при протіканні струму емітера транзистора Q1 через резистор Ток емітера дорівнює сумі струмів бази та колектора: Iе = Ік + Іб між струмом колектора і струмом бази є співвідношення: Ік = B * Іб, тобто, підставивши це співвідношення в попередній вираз, ми отримаємо: Iе = B * Іб + Iб = (B + 1) * Іб Таким чином, струм емітера, отже, і падіння напруги на резистори R4, відображає весь процес посилення на резистори R4 падає частина вихідної напруги

Разом з тим, вхідна напруга для транзистора – це напруга, що прикладається між його базою і емітером А це напруга формується напругою джерела сигналу V2 і падінням напруги на резисторі R4 При цьому падіння напруги на резистори R4 віднімається з напруги джерела V2: покладемо, що V2 це просто батарейка, плюс якої прикладений до бази Q1, а мінус до загального проводу струм через резистор R4 протікає від емітера до загального проводу ми можемо записати, що V2 = Vе-б + VR4, або Vе-б = V2 – VR4

У підсумку можна сказати, що частина вихідної напруги потрапляє на вхід, а ми маємо справу зі зворотним звязком

Трохи зрозуміліше було б, якщо намалювати схему наступним чином:

Рис 62 Введення зворотного звязку

На цьому малюнку видно, що вихідний сигнал, що знімається з колектора транзистора, дільником R5R4 ділиться, і частина його потрапляє на вхід На жаль, те, що легше зрозуміти, не завжди краще працює

Ми зясували, що ця частина вихідного сигналу віднімається з сигналу на вході підсилювача, в цьому випадку зворотний звязок називається негативним зворотним звязком (ООС) Ми могли б згадати і той факт, що напруга на колекторі транзистора противофазно вхідному напрузі, і зворотний звязок, здійснювана сигналом протівофазним вхідного, знову-таки виходить негативною

Подивимося, як негативний зворотний звязок змінює властивості підсилювача

Рис 63 Посилення каскаду без негативного зворотного звязку

Напруга (амплітудне) джерела 10 мВ, напруга на виході дещо більше 1 В Тобто, коефіцієнт посилення по напрузі 1000/10 = 100

Повторимо цей експеримент, додавши резистор негативного зворотного звязку

Рис 64 Посилення каскаду з негативним зворотним звязком

Напруга джерела сигналу залишилося колишнім, а вихідна напруга, як показано на малюнку, зменшилося до 50 мВ Таким чином, коефіцієнт посилення став дорівнює 5 (попутно відзначимо, що це число ми отримаємо, якщо розділимо опір R2 на R4)

Так навіщо нам цей звязок Від підсилювача нам потрібне посилення, а воно явно стало менше

Це так Але, розбираючись з робочою точкою, ми зясували, що доданий резистор стабілізує робочу точку транзистора Це раз

Тепер повторимо попередні експерименти, але визначати будемо не посилення, а верхню граничну частоту каскаду

Рис 65 Амплітудно-частотна характеристика підсилювача без зворотного звязку Введемо опір зворотного звязку

Рис 66 АЧХ підсилювача зі зворотним звязком

Порівняння частотних характеристик в обох випадках показує, що друга схема має більш широку смугу пропускання за рахунок вищої верхньої граничної частоти

Якщо ви памятаєте, раніше ми використовували трикутні імпульси для перевірки лінійності перетворення Спробуємо повторити цей експеримент

Рис 67 Порівняння вихідних трикутних імпульсів

Перша діаграма відноситься до підсилювача без негативного зворотного звязку, другий до підсилювача з негативним зворотним звязком Не дуже показово, але помітно, що форма імпульсу на другий діаграмі краще

Таким чином, негативний зворотний звязок покращує лінійність перетворення вхідних сигналів у вихідні

Лінійність перетворення відповідальна за появу нелінійних спотворень В одних підсилювачах це важливо, в інших ні Наприклад, вхідний підсилювач менш чутливий до появи нелінійних спотворень, ніж звуковий підсилювач Спотворення високочастотного сигналу на вході приймача після детектування сигналу, яке «видаляє» високу частоту, перестають нас цікавити Тому для вхідних каскадів радіоприймача характерно шунтування резистора зворотного звязку конденсатором: резистор зворотного звязку

«Працює» на постійному струмі, підтримуючи робочу точку транзистора, але перестає працювати

на високій частоті, збільшуючи коефіцієнт посилення, який нам набагато важливіше нелінійних спотворень в цьому місці схеми

Щоб не бути голослівним, я повторю експерименти зі схемами, наведеними вище, але вимірювати буду нелінійні спотворення (звичайно, вихідна напруга сигналу має бути однаковим)

Рис 68 Нелінійні спотворення схеми без ООС

Рис 69 Нелінійні спотворення схеми з ООС

Ми згадували про шуми, що виникають в підсилювачі Подаючи частина сигналу з виходу на вхід, де вихідний сигнал віднімається з вхідного, ми віднімаємо і шуми Тобто, негативний зворотний звязок покращує шумові параметри підсилювача

Те, яка частина вихідної напруги подається на вхід, можна назвати ще глибиною зворотного звязку (більш точно глибиною зворотного звязку буде називатися коефіцієнт, що показує у скільки разів зменшився коефіцієнт посилення після введення негативного зворотного звязку)

З появою транзисторів їх все частіше стали використовувати в схемах підсилювачів звуку При цьому виявилося, що негативний зворотний звязок можна робити дуже глибокою Здавалося б, поліпшується смуга пропускання, зменшуються нелінійні спотворення, стабілізуються робочі точки і тд Все тільки поліпшується з введенням глибокої негативного зворотного звязку (ООС) Ось тільки звучання таких підсилювачів стало викликати великі сумніви Це звучання назвали

«Транзисторним»

Розглянемо не всі причини цього ефекту, але одну з них

Ми розглядали амплітудно-частотні характеристики одного каскаду посилення Зараз я наведу дві такі АЧХ:

Рис 610 Порівняння двох АЧХ

Друга характеристика отримана за допомогою плоттера Боде в схемі, наведеній нижче:

Рис 611 Схема отримання другого характеристики

Той факт, що обидві характеристики дуже схожі, якщо не враховувати різну верхню частоту зрізу, яку можна підібрати для другого АЧХ, змінюючи ємність конденсатора, не підлягає сумніву Можна перевірити, що швидкість спаду обох характеристик за верхньою граничною частотою однакова (зазвичай її вимірюють відношенням децибел / декада, але про цих одиницях пізніше)

RC ланцюг, показану вище, називають інтегруючого RC ланцюгом Але ми знаємо, що напруга на конденсаторі відстає по фазі (за часом) від струму через конденсатор Що дає нам підставу зробити висновок: вихідна напруга в підсилювачі відстає від вхідного по часу (або по фазі) Додавши до цього міркуванню то, що посилення каскаду з негативним зворотним звязком менше, ніж без неї, ми можемо сказати: є певний проміжок часу, коли дія зворотного звязку ще не почалося, а вхідна напруга вище, ніж в сталому режимі

Подібне завищене вхідна напруга, нехай і на короткий проміжок часу, може перевантажувати підсилювач, викликаючи нелінійні спотворення І виходить, що підсилювач, охоплений глибоким негативним зворотним звязком, схильний до особливого виду спотворень Їх називають динамічними спотвореннями Якщо не брати спеціальних заходів щодо усунення цих спотворень, то слід остерігатися введення глибоким негативним звязку в звукових підсилювачах

Наш експеримент порівняно АЧХ підсилювального каскаду і RC ланцюга показує, що їх поведінка в цьому відношенні схоже Тому ми можемо виконати ще експерименти з RC ланцюгами, переносячи отримані результати на підсилювачі

Джерело: Гололобов ВН, – Самовчитель гри на паяльнику (Про електроніці для школярів і не тільки), – Москва 2012