Файл: Лурье Б.Я. Максимизация глубины обратной связи в усилителях.pdf

частотах. В широкополосных усилителях с рабочим диапазоном s десятки МГц этот паразитный резонанс существенно ухудшает вид АФХ L. Поэтому в таких усилителях схема нелинейного кор­ ректора должна быть изменена, см. рис. 4.17. Учитывая, что ин­ дуктивность 1 /г)' много меньше индуктивностей, входящих в двух­ полюсник Zі, при реализации последнего с помощью полиноми­ ального фильтра можно для улучшения асимптотических свойств каскада (уменьшения влияния паразитных емкостей) включить ка­ тушку индуктивности так, как показано на рис. 4.17а.

Рис. 4.17

Для устранения шунтирования нелинейного корректора входом транзистора оконечного каскада удобно использовать диод цепи стабилизации режима по постоянному току, рис. 4.176. Конденса­ тор С2 разделительный, а конденсатор малой емкости Сі служит для дополнительного увеличения —ф при запирании диода. Вклю­ чение такой цепи .в описанном выше экспериментальном усилителе позволило увеличить наименьшее во всем диапазоне частот Е' до 0,8, т. е. значительно увеличить-—ф.

Не во всех случаях требуемый коэффициент усиления каскада с нелинейным корректором должен быть постоянным в рабочей полосе частот. Например, спад усиления может иметь место в ра­ бочем диапазоне частот, и он компенсируется всплеском усиления на краю рабочего диапазона частот другого каскада [6]. В этом случае при сравнительно простой схеме двухполюсника при т і^ І агg Z ifn —90°, и при включении в ветвь Z2 индуктивности величи­ на —ф оказывается большой, так как при увеличении уровня сиг­ нала гармоническое сопротивление диодов падает и межкаскадная цепь вырождается в индуктивность, т. е. фаза коэффициента пере­ дачи каскада изменяется на 180°.

Простейшие нелинейные корректоры оказывается целесообраз­ ным использовать даже в том случае, когда достаточна реализуе­ мая по Боде глубина обратной связи. Использование нелинейного корректора позволяет допустить значительные отклонения от ЛАХ То, оптимальной по Боде, и поэтому упростить и удешевить устройство.

'Кроме того, нелинейный корректор позволяет упростить про­ цесс проектирования усилителя. Дело в том, что проектирование усилителя ведется циклично. Проверка правильности расчета, уточ­ нение и оптимизация цепи обратной связи (которая в линейных усилителях систем многоканальной связи содержит сложные, в том

—113 —

5

г л а в а

Многоканальная обратная связь

5.1.ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Будем пользоваться определениями одноканальной и многока­ нальной обратной 'Связи, предложенными Боде.

Рассмотрим цепь (систему), состоящую из пассивных элементов и нескольких однонаправленных усилителей с пассивными вход­ ными и 'выходными 'сопротивлениями.

Система может быть отнесена к системам с одноканальной об­ ратной связью ів том и только в том случае, когда все усилители включены каскадно и образуют тем самым один многокаскадный усилитель1). Иначе говоря, при выключении любого усилителя всякая обратная связь в системе отсутствует. Или (другой необ­ ходимый и достаточный признак одноканальной обратной связи) коэффициенты усиления всех усилителей входят в возвратное'от­ ношение только как сомножители. В противном случае эта система является системой с многоканальной обратной связью.

Предложенная Боде классификация основана на том, что в рас­ сматриваемых системах усилители — активные и нелинейные звенья, а цепи обратных связей составлены из пассивных и линейных эле­ ментов. Поэтому, видимо, следует любой однонаправленный нели­ нейный четырехполюсник с пассивными и линейными входными сопротивлениями считать «усилителем», даже если коэффициент усиления его меньше 1.

К широкому классу нелинейных цепей, соответствующих опре­ делению системы с многоканальной обратной связью, относятся или после очевидных эквивалентных преобразований могут быть отнесены практически все интересующие проектировщиков усили­ телей структурные схемы.

Системы с многоканальной обратной связью применяются весь­

и несколькими включенными параллельно четырехполюсниками в цепи обратной связи относится к системам с одноканалытой обратной связью.

— 115 —

пределы достижимой глубины обратной связи, так и методы по­ строения схем для получения оптимальных результатов.

При построении схем усилителей с обратной связью, как пра­ вило, используются лишь схемы с местными (в дополнение к об­ щей) обратными связями и схемы с теми или иными разновидно­ стями катодной (эмиттерной) связи.

Различного рода схемы многоканальной обратной связи, исполь­ зуемые в системах автоматического управления [18, 78, 94], приво­ дятся обычно без строгого доказательства оптимальности выбран­ ной структурной схемы и частотных характеристик ее составных частей и, кроме того, критерии оптимальности САУ и усилителей

собратной связью, как указывалось ранее, различны.

Всистеме с одноканальной обратной связью глубина обратной связи ограничена предельными соотношениями Боде. Естественны поэтому попытки добиться лучших результатов при помощи раз­ личных схем многоканальной обратной связи, тем более, что в ряде случаев многоканальную связь приходится применять в силу дру­ гих, решающих соображений (уменьшение емкости конденсаторов, устранение индуктивностей и трансформаторов, уменьшение дрей­

фа нуля в усилителях постоянного тока при сохранении широкой полосы частот) [39, 52].

Во многих случаях, однако, существенной выгоды в смысле достижимой глубины общей обратной связи по сравнению с одно­ канальной связью получить не удается, несмотря на кажущиеся преимущества. Опровержение возникающих гипотез оказывается не всегда очевидным. Примером тому служит высказанное самим Боде предположение [121] о целесообразности разбиения цепями частотной селекции общей обратной связи на местные, при росте частоты, предположения, не получившего затем подтверждения ни в научных работах, ни в промышленных разработках.

5.2. ЧАСТОТНЫЕ КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ

Частотные критерии устойчивости линейной цепи с многока­ нальной обратной связью могут быть сформулированы самым раз­ личным образом. Из всего множества их, однако, практически при­ годны лишь немногие. Это связано как е удобством 'измерения частотных годографов выбранных величин, так и с удобством оцен­ ки по виду их требуемых изменений, которые следует внести в схе­ му усилителя для обеспечения его устойчивости. Кроме того, эти критерии должны позволить сделать обобщение их на случай гар­ монически линеаризуемых нелинейных звеньев, а также позволить ввести логически обоснованные и удобные для практической про­ верки запасы устойчивости.

Исходя из этого последнего условия, видно, что величины, час­ тотные годографы которых должны использоваться, должны, по возможности, включать коэффициенты передачи гармонически ли­

—116 —

неаризуемых звеньев в виде сомножителей, т. е. ѳто должны бытькоэффициенты передачи по некоторым замкнутым контурам. Весь­ ма общий критерий такого типа предложил Боде {21]: Линейная система, состоящая из пассивных элементов и однонаправленных усилителей, устойчива тогда и только тогда, когда равняется нулю суммарное число оборотов вокруг критической точки (—1,0) серии из п диаграмм Найквиста, построенных для возвратных отноше­ ний усилителей Ть Т& Т3, . . Тп при наращивании числа включен­

АА

А» ' А'1- 2...... "> ’

так как числитель последующей дроби равен знаменателю преды­ дущей. Число оборотов каждой из серии диаграмм Найквиста рав­ но разности чисел нулей соответствующих определителей, и, таким образом, суммарное число оборотов серии диаграмм Найквиста равно разности чисел нулей в правой р-полуплоскости главного определителя системы Д и определителя Д(1....п\ а поскольку по­ следний в правой р-полуплоскости нулей не имеет, то числу нулей главного определителя А.

. Боде специально отмечает, что теорема эта применима, разу­ меется, для любого порядка включения усилителей, но при различ­ ных порядках будут получаться и совершенно разные по виду се­ рии диаграмм Найквиста.

Оптимальный выбор этого порядка может значительно'упрос­ тить исследование устойчивости системы. Целесообразно выбрать такой порядок включения усилителей, чтобы при первом (первых), включенном усилителе цепь была заведомо устойчива, что позво­ лило бы не строить первую (первые) диаграмму Найквиста. Часто это возможно сделать и, более того, несколькими путями. Напри­ мер, усилитель с общей обратной связью и местной обратной связью в -оконечном каскаде, как правило, устойчив и при включенных только предварительных каскадах и при включенном только око­ нечном каскаде. Поэтому устойчивость его определяется видом диаграммы Найквиста при всех включенных каскадах, причем эту диаграмму можно строить по результатам измерения возвратного отношения при разрыве тракта либо в предварительных каскадах, либо в оконечном.

Далее, выбор порядка включения усилителей должен быть овязан и с возможностью упрощения анализа устойчивости системы

—117 —

при больших сигналах с использованием гармонической линеари­ зации. Если, например, в рассматриваемом усилителе учитывается только ограничение в оконечном каскаде, то из двух указанных вы­ ше вариантов удобнее второй, так как в этом случае эквивалент­ ный гармонический коэффициент передачи оконечного каскада вхо­ дит в возвратное отношение как сомножитель и может быть при­ менен, например, метод гармонического баланса в форме Гольд­ фарба. Если же порог ограничения иредоконечного каскада прак­ тически совпадает с порогом ограничения оконечного каскада, то можно учитывать только 'нелинейность предоконечного каскада, и в этом случае удобнее использовать первый вариант.

Если, следовательно, имеется такой усилитель, что при вклю­ ченных всех остальных усилителях и выключенном этом цепь устой­ чива в целом, то именно этот усилитель и следует считать п-м. В этом случае достаточно рассматривать лишь одну диаграмму Найквиста и, если это допустимо, решать вопрос об устойчивости

.цепи с использованием гармонического баланса и гармонической линеаризации.

Поскольку понятие возвратной разности имеет смысл и для двухполюсного элемента, то и критерий Боде допускает обобще­ ние на тот случай, когда некоторые активные или нелинейные эле­ менты — двухполюсники.

Очевидно, что вместо серии диаграмм Найквиста можно по­

но такое формальное упрощение приводит к громоздким вычисле­ ниям, затрудняет понимание физических процессов в цепи, учет нелинейностей и разбросов параметров и поэтому, видимо, фак­ тически упрощением не является.

Боде не указывает, как 'следует определить запасы устойчиво­ сти. Это связано с тем, что при различных порядках включения усилителей диаграммы Найквиста будут подходить к критической точке на различные расстояния i-f, кроме того, аналитически опре­ делить чувствительности для обоснования величины запасов устой­ чивости (подобно случаю одноканальной связи) для каждой от­ дельной диаграммы непросто. Для каждого конкретного случая можно обосновать выбор запасов устойчивости, например, по ре­ зультатам измерений чувствительности функций Г,- на критических ѵчастках диаграмм к изменению основных малостабильных эле­ ментов (параметров транзисторов, ламп) *).

Предложенный Блечером (117, 41] критерий устойчивости позво­

ния генерации, учитывать и запасы, необходимые для ограничения меры неустой­ чивости в режимах вынужденных колебаний.

— 118 —"