Расчет характеристик каскада с обратной связью

1.

Схемотехника аналоговых электронных
устройств
Практика 6
Расчет характеристик каскада с
обратной связью
1

2.

Обратные связи
• Обратная связь (ОС) в осуществляется подачей части выходного
напряжения или тока на вход устройства. Наличие ОС изменяет
основные характеристики в глубину ОС раз, где глубина ОС F
показывает, какая часть входного сигнала возвращается на вход по
цепи ОС
Отличают положительную ОС, когда сигнал ОС
складывается с входным сигналом и отрицательную
ОС, когда сигнал ОС вычитается из входного сигнала.
К
U ОС U ВЫХ
F 1 К
К ОС
1 К

3.

Каскад с последовательной ООС по току
• Влияние обратной связи на характеристики определяется способом
снятия обратной связи (пропорциональной либо току, либо
напряжению выходного сигнала) и способом подачи (параллельно
или последовательно с источником входного сигнала).
Усиленный ток эмиттера,
Iэ= (Н21+1)Iвх, протекает
через сопротивление
Rос, на Rос возникает
напряжение обратной
связи Uос, которое
уменьшает напряжение
Происходит сложение входного
управления:
напряжения с напряжением
Uбэ ≈ Uвх-IвыхRос.
обратной связи (с учетом знаков ОС)
3

4.

Изменение характеристик каскада на
средних частотах при введении ОС
• Входное сопротивление транзистора значительно
увеличивается из-за увеличения глубины ООС при
добавке в цепь эмиттера резистора Rос:
rвх=rб+(rэ+Rос)(Н21+1)=rвх+Rос(Н21+1),
уменьшается входная динамическая емкость каскада:
СВХОС=τОС/rб+ Ск(1+К0)/ (1+SоRос)
Коэффициент усиления каскада уменьшается в глубину ОС
раз:
S R
К ОС 0 ЭКВ
1 S 0 RОС
4

5.

Коррекция АЧХ в области ВЧ с
помощью частотно-зависимой ОС
Оптимальная коррекция
обеспечивающая максимальную
плоскую АЧХ при заданной F:
mопт ОС В
τос=RосСос
τв – некорректированного каскада.
mопт
1 F 2 F ( F 1)
( F 2 1)
Выбор F – по увеличению fв:
FОПТ f ВОС / f В
В результате уменьшения
сопротивления конденсатора
Сос, снижается напряжение
обратной связи и
увеличивается амплитуда
сигнала на переходе базаэмиттер с ростом частоты
сигнала
5

6.

Порядок расчета цепи эмиттерной
коррекции в области ВЧ:
1. Рассчитывается крутизна, постоянная времени каскада с ОЭ
при отсутствии ОС и верхняя частота fв некорректированного
каскада.
2. По заданному значению верхней частоты fвос определяется
необходимая глубина ОС при оптимальной коррекции по
FОПТ f ВОС / f В
выражению
3. Определяется значение резистора ОС, Rос=(F-1)/Sо
4. По определяется коэффициент оптимальной коррекции mопт.
5. Определяется постоянная времени корректирующей цепи.
6. По значению верхней частоты определяется τос=1/2π fвос.
7. Находится значение емкости корректирующего конденсатора
Сос= τос/Rос, обеспечивающего оптимальную коррекцию.
6

7.

Расчет каскада с эмиттерной
коррекцией на средних и нижних
частотах
• На СЧ определяются
• rвхос=rвх+Rос(Н21+1)
• Rвх=Rб||rвхос
• Входная емкость
СВХОС=τОС/rб+ Ск(1+К0)/(1+SоRос)
• Коэффициент усиления
Кос=К0/(1+SоRос)
• Расчет на НЧ проводится
как для каскада с ОЭ с
учетом увеличения
входного сопротивления и
уменьшение крутизны что
приводит к увеличению
постоянных времени
разделительных и
блокировочной цепей.
Значение fн уменьшается
приблизительно в F раз
7

8.

Задание на контрольную работу 3
Рассчитать элементы усилителя с цепью эмиттерной
коррекции на транзисторе КТ 315,
обеспечивающей оптимальную форму АЧХ при
заданных значения fв, fн, Rн и Сн.
Рассчитать цепь термостабилизации,
обеспечивающую заданную рабочую точку
транзистора Uко и Iко
Рассчитать элементы усилителя, обеспечивающие
fв и fн.
Рассчитать параметры усилителя (Ко, rВХ, Свх) с
обратной связью.
8

9.

Расчет элементов термостабилизации
Условия:
1. Uб=const → Iдел >>Iб0.
2. URэ>>Uб0.
При увеличении температуры
увеличивается ток эмиттера,
приводящее к увеличению
напряжения URэ При
условииUб=const уменьшается
напряжения Uб0, что приводит
к запиранию транзистора и
уменьшению тока коллектора,
в результате стабилизируется
положение рабочей точки.
9

10.

Расчет характеристик каскада без
коррекции
Rб=Rб1//Rб2 Rэкв=Rк//Rн
Рассчитываются: крутизна S
постоянная времени τв и
верхняя частота fв.
S rб 2 f
Т
2 С н Rэкв
1 Ск Rэкв 1 S rб
fв 1
rэ=φТ/Iэ
φТ=25,6 мВ
2 в
10

11.

Изменение характеристик каскада на
средних частотах при введении ОС
Входное сопротивление транзистора значительно
увеличивается из-за увеличения глубины ООС при
добавке в цепь эмиттера резистора Rос:
rвх=rб+(rэ+Rос)(Н21+1)=rвх+Rос(Н21+1),
уменьшается входная динамическая емкость каскада:
СВХОС=τОС/rб+ Ск(1+К0)/ (1+SоRос)
Коэффициент усиления каскада уменьшается в глубину ОС
раз:
S R
К ОС 0 ЭКВ
1 S 0 RОС
11

12.

Коррекция АЧХ в области ВЧ с
помощью частотно-зависимой ОС
Оптимальная коррекция
обеспечивающая максимальную
плоскую АЧХ при заданной F:
mопт ОС В
τос=RосСос
τв – некорректированного каскада.
mопт
1 F 2 F ( F 1)
( F 2 1)
Выбор необходимой глубины ОС
F – по увеличению fв:
FОПТ f ВОС / f В
В результате уменьшения
сопротивления конденсатора
Сос, снижается напряжение
обратной связи и
увеличивается амплитуда
сигнала на переходе базаэмиттер с ростом частоты
сигнала
12

13.

Порядок расчета цепи эмиттерной
коррекции в области ВЧ:
1. Рассчитывается крутизна, постоянная времени каскада с ОЭ
при отсутствии ОС и верхняя частота fв некорректированного
каскада.
2. По заданному значению верхней частоты fвос определяется
необходимая глубина ОС при оптимальной коррекции по
FОПТ f ВОС / f В
выражению
3. Определяется значение резистора ОС, Rос=(F-1)/Sо
4. По определяется коэффициент оптимальной коррекции mопт.
5. Определяется постоянная времени корректирующей цепи.
6. По значению верхней частоты определяется τос=1/2π fвос.
7. Находится значение емкости корректирующего конденсатора
Сос= τос/Rос, обеспечивающего оптимальную коррекцию.
13

14.

Расчет характеристик каскада с
коррекцией
На СЧ определяются
rвхос=rвх+Rос(Н21+1) Rвх=Rб||rвхос
Входная емкость
СВХОС=τОС/rб+ Ск(1+К0)/(1+SоRос)
Коэффициент усиления
Кос=SоRэкв/(1+SоRос)
На НЧ определяется емкость Ср= Сэ= С
Для разделительной цепи: τнр=Ср(Rл+Rп).
Для блокировочной цепи
τнэ=Сэ/Sос=Сэ(1+SоRос)/Sо
при одинаковых емкостях
fн=Sо/2πС,
откуда С=Sо/2πfн
Расчет на НЧ
проводится с учетом
увеличения входного
сопротивления и
уменьшение крутизны
что приводит к
увеличению
постоянных времени
разделительных и
блокировочной цепей.
Значение fн уменьшается
приблизительно в F раз
из-за уменьшения
крутизны при ОС 14

15.

Пример расчета
Рассчитать элементы усилителя
с цепью эмиттерной коррекции
обеспечивающей оптимальную
форму АЧХ при заданных
значения fв, fн, Rн и Сн.
Рассчитать цепь
термостабилизации,
обеспечивающую заданные
Uко и Iко
Рассчитать элементы
усилителя, обеспечивающие
fв и fн.
Рассчитать параметры
усилителя (Ко, rВХ, Свх) с
обратной связью.
Параметры КТ 315 : fт=250МГц,
Н21=120, rб=10Ом, Ск=7пф.
Вариант задания:Iк0=3мА
Uко=8В, fв= 80МГц, fн=10кГц
Сн=50 пф
Rг=1К, Rн=200Ом
15

16.

Расчет элементов термостабилизации
Условия: Uб=const; URэ>>Uб0.
Iбо=Iко/Н21=3/120=0,025мА,
Iдел=10Iбо=0,25мА
URэ=10Uб0=10*0,7=7В
Uб=URэ+Uбо=7+0,7=7,7В
Rб2=7,7/0,25=30,8кОм
При условии Rк=Rн
URк=Iко*Rк=3*200=0,6В
Епит=URэ+Uко+URк=7+8+0,6
=15.6В
Rб1=15,6-7,7/(0,25+0,025)=
=28,7кОм
Rэ=7/(3+0,025)=2,3кОм
16

17.

Расчет характеристик каскада без
коррекции
Rб=Rб1//Rб2 =30,8//28,7=14,5кОм
Rэкв=Rк//Rн =100Ом
rвх =10+(120+1)8,5=1038Ом
S=120/1038=0,116А/В
Ко=0,116*100=11,6
τ=0,116*10/2*3.14*250=7,3нс
τ2=50*100=5нс τ3=7*100=0,7нс
rэ=φТ/Iэ
τв=7,3+5+0,7=13 нс
fв=1/(2*3.14*13)=12,2 МГц
rэ=φТ/Iэ
17

18.

Коррекция АЧХ в области ВЧ с
помощью частотно-зависимой ОС
Необходимая F: FОПТ f ВОС / f В
F=80/12,2=6.55
Оптимальный коэффициент
коррекции
mопт=1-6,55+√2*6,55(6.55-1)/
41,9=6.75
τос=τв*mопт=13*6,75=87,8нс.
Fос=1+SоRос
Откуда Rос=(Fос-1)/Sо =(6,55-1)/
0,116=47,8Ом
Сос=87,8/47,8=1,82 нФ
mопт
1 F 2 F ( F 1)
( F 2 1)
τос=RосСос
mопт ОС В
18

19.

Характеристик каскада при введении
ОС
Входное сопротивление транзистора значительно
увеличивается из-за увеличения глубины ООС при
добавке в цепь эмиттера резистора Rос:
rвхос=rвх+Rос(Н21+1)=1038+47,8*121=3,66кОм
Rвх=3,66*14,5/(3,66+14,5)=2,92кОм
Коэффициент усиления Кос=Ко/F=11,6/6,55=1,8
уменьшается входная динамическая емкость каскада:
СВХОС ≈ Ск(1+К0)/ F≈7*(11,6+1)/6,55=13,4 пФ
Для обеспечения нижней частоты усилителя:
С=Sо/2πfн= 0,116/6,28*10=0,0018мФ=1,8мкФ
19

20.

Построение АЧХ в логарифмическом масштабе
Построить по упрощенной
методике две частотные
характеристики, без
коррекции и с коррекцией
График удобно строить,
определяя значения Y на
частотах f =0,1fв, f=0,3fв
f=fв, f=fн, f=0,3fн, f=0,1fн
Соответственно
Y=0,7; Y=0,316; Y=0,1