9zip.ru Инструкции Недостатки усилителей с отрицательной обратной связью

Одной из причин изобретения ООС была необходимость получения плоской АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) для усилителей, используемых в системах многоканальной телефонной связи осуществляемой по одной паре проводов. Другой причиной являлось то, что при росте полосы сигнала росли потери в кабеле телефонной линии, а это приводило к необходимости размещать на трассе протяженностью в 2500 км до трех тысяч (!) усилителей.

Применение ООС с успехом решило данные насущные проблемы. Во-первых, за счет нее была обеспечена плоская АЧХ для передачи широкополосных сигналов, а во-вторых, благодаря тому, что ООС уменьшает выходное сопротивление усилителей, были снижены потери сигнала и сторонние помехи, наводимые в проводах телефонных линий…

Безусловно, что названные свойства этой ОС (отрицательной по определению) полностью оправдывают ее применение в устройствах дальней телефонной проводной связи и в устройствах автоматики, где вполне достаточным условием является получение просто малой амплитуды новых составляющих на выходе усилителей. Однако, что касается области звукотехники, то характерной и весьма неприятной особенностью ООС является то, что ее использование (даже самое правильное и грамотное!) не решает проблемы форматных искажений. То есть уменьшить КФИ за счет этой ОС невозможно, так как она снижает только КГ и КИ вследствие того, что уменьшает собственно только амплитуду нелинейности передачи напряжения усилителем, но не исправляет ее характер!!!

Чтобы показать это рассмотрим структуру классического инвертирующего усилителя с ООС. Выходной сигнал сравнивается с входным сигналом в сравнивающем устройстве Y, которое на представляет собой цепь из двух последовательно включенных резисторов R1 и R2. При этом в точке их соединения, к которой подключен инверсный вход усилителя A, действует сигнал U/, который является некоторой частью входного сигнала Ue, но несколько измененного из-за воздействия на него Ua отличающегося по форме от Ue. Собственно этот-то сигнал U/ (а не “виртуальная земля”) и усиливается усилителем A.

Таким образом, очевидным является то, что за счет действия ООС изменяется U/. Причем так, что при отклонениях КU = (К ± ?К) ? const получают Ua/Ue = U/KU ? const. То есть любому отклонению КU соответствует определенное изменение U/, значением которого, а не непосредственно значением KU, фактически и управляет ООС - U/ = Т1Ue/АООС (то же происходит и в неинвертирующем усилителе, у которого U/ = Т2Ue – Т2Ue/АООС). Сама же причина, - нестабильность КU, приводящая к Ua/Ue ? const, - не устраняется. Уменьшается лишь нестабильность значения коэффициента передачи в целом всего усилителя охваченного ООС : КООС = T1KU/(1 + BKU).

В представленных выше уравнениях и формуле определения КООС присутствуют следующие индексы:

Т1 - коэффициент передачи входного сигнала Ue на инверсный вход усилителя, который определяют как: R2/(R1 + R2).

Т2 – коэффициент передачи входного сигнала Ue на прямой вход усилителя. Определяют Т2 аналогично Т1, но к расчету принимают значения сопротивлений резисторов аттенюатора, включенного на прямом входе усилителя. В частности у неинвертирующего и дифференциального усилителей (при отсутствии аттенюатора на прямом входе, то есть при непосредственной подаче на него Ue, коэффициент Т2 равен единице).

B - коэффициент передачи выходного сигнала Ua по цепи ОС, который определяют как: R1/(R1 + R2) (в неинвертирующем усилителе определяют аналогично).

Необходимость введения в общепринятую формулу расчета КОС нового коэффициента “Т” вызвана тем, что не только выходное напряжение (Ua), но и входное напряжение (Ue) уменьшается в делителе напряжения являющемся цепью сравнения Ua с Ue, функции которой выполняют последовательно включенные резисторы R1 и R2 цепи ООС.

Таким образом, при ООС амплитуда нелинейности передачи напряжения усилителем уменьшается пропорционально глубине этой ОС - АООС = (1 + ВКU), которая, изменяясь, лишь “подстраивается” под нестабильность КU, стремясь обратно пропорционально изменить U/. То есть характер регулирования U/ остается линейным при нелинейном характере зависимости КU от Ue. Как следствие, это лишь в целом уменьшает амплитуду нелинейности, но не исправляет ее характер. В математическом представлении это видится в том, что во сколько бы раз в общей сложности не уменьшали значения чисел в числовом ряду, соотношение их останется неизменным (например, см. преобразования ряда Фурье применительно к ООС…). Иначе говоря, при снижении амплитуды нелинейности уменьшается только лишь ее масштаб. И это в лучшем случае. В действительности же вместе с уменьшением масштаба нелинейности характер ее несколько ухудшается – возникают еще большие изломы характеристической зависимости значения КГ от отдаваемой усилителем мощности Р и частоты F.

Таким образом, при ООС значение КГ имеет ту же нелинейную зависимость, если не считать того, что при увеличении глубины ООС кривая приобретает еще и дополнительный излом в области малой отдаваемой мощности УМЗЧ и в области высоких частот. Обусловлено это падением значения KU в этих областях и соответственно уменьшением глубины ООС. В сильно сигнальной области дополнительный излом кривой зависимости КГ может иметь место из-за уменьшения h21 транзисторов при увеличении Iэ(Iк). Соответственно тоже при снижении глубины ООС.

Подобная нелинейная зависимость КГ (она косвенно отображает нелинейность АХГ и АЧХГ) свойственна всем усилителям с ООС, которые имеют большое значение КФИ. То есть нелинейная зависимость значения КГ от P и F как раз таки является следствием форматных искажений новых гармоник.

Если снова обратиться к сопоставлению ламповых и транзисторных УМЗЧ, то выясняется, что только благодаря меньшей крутизне излома вольтамперной характеристики ламп, и, как правило, меньшей глубине ООС, у ламповых усилителей КФИ значительно меньше. Вообще же, надо сказать, что у ламп кривая вольтамперной характеристики имеет более постоянную крутизну (кривизну) излома. Тогда как у транзисторов она имеет экспоненциальную (“антилогарифмическую” или квадратичную зависимость). Именно из-за такой формы непостоянства крутизны (кривизны) излома вольтамперной характеристики транзисторов, у транзисторных УМЗЧ порядковое число гармоник значительно больше, чем у ламповых.

Понравилась статья? Екатерина говорит: поделись с друзьями!