Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

§ 3. Типовые нелинейности статической характеристики

Часто статические характеристики электронных элементов имеют вид ломаных линий, составленных из прямолинейных отрезков. Принято говорить, что та­

кие элементы имеют характерные (типовые) нелиней­ ности.

Основные виды типовых нелинейностей статической характеристики следующие: нелинейность ограничения, нелинейность зоны нечувствительности, нелинейность по­ роговая, нелинейность пороговая с гистерезисом (рис. 3).

Нелинейность ограничения (рис. 3, а, б) присуща всем усилительным элементам и связана с конечным значени­ ем напряжения питания.

Нелинейность типа зоны нечувствительности (рис. 3,

в, г) вызывается вольт-амперными нелинейностями в схе­ ме элемента, либо зависимостью коэффициента усиления усилительных приборов в схеме элемента от напряжения или тока.

Пороговая нелинейность (рис. 3, д, е) в так называемых пороговых элементах обеспечивается схемным путем, бла­ годаря сочетанию элемента с нелинейностью типа зоны нечувствительности и усилителя с высоким коэффициен­ том усиления. Гистерезисность порогового элемента (рис. 3, ж, з) неизбежна в том случае, если для увеличе­ ния коэффициента усиления в усилителе пороговой схемы применяются цепи положительной обратной связи.

Перечисленные виды нелинейности статической харак­ теристики относятся в равной мере как для элементов ре­ версивного (двухтактного) (рис. 3, б, г, е, з), так и нере­ версивного (однотактного) действия (рис. 3, а, в, д, ж). Однако у реверсивных элементов возможно различие между положительной и отрицательной областями харак­ теристики порогов ограничения, а также порогов зоны нечувствительности и зоны гистерезиса.

Нестабильность элемента, то есть способность элемен­ та менять форму статической характеристики, оценивают чаще всего как дрейф (сдвиг) нулевой точки характери­ стики (рис. 4). Сдвиг нулевой точки статической харак­ теристики вызывает появление некоторого сигнала §ЛВЫХна выходе элемента при нулевом сигнале на вхо­ де. Величина этого выходного сигнала, вызванного дрей­ фом нуля, могла бы быть мерой нестабильности элемента.

10

Ж

Рис. 3. Виды нелинейности статической характеристики:

а, б — нелинейность ограничения; в, а — нелинейность зоны нечувстви­ тельности; д, е — пороговая нелинейность; ж, з — пороговая нелиней­ ность с гистерезисной зоной

&вх.

Рис. 4. Дрейф статической характеристики

Однако дрейф нуля, как правило, выражают не в выход­ ных величинах, а в величинах, приведенных ко входу, то есть в таких величинах входного сигнала 8ЛВХ, при которых дрейф нуля компенсируется или, иначе, выходной сигнал, вызванный дрейфом, становится равным нулю.

Иногда приведенные ко входу величины называют эк­ вивалентными. Кроме того, дрейф, приведенный ко входу, часто выражают в виде отношения приведенного ко входу эквивалентного напряжения или тока к величине деста­ билизирующего фактора, вызвавшего нестабильность ха­ рактеристики. Например, временной дрейф может быть выражен в микровольтах за сутки или микроамперах за сутки, а температурный дрейф, соответственно, в микро­ вольтах на градус или в микроамперах на градус.

§ 4. Статические свойства системы, содержащей несколько четырехполюсных элементов

Схемную совокупность нескольких элементов называ­ ют системой. В системе, содержащей несколько четырех­ полюсных элементов, элементы могут быть соединены по­ следовательно, параллельно или встречно-параллельно.

При последовательном соединении элементов, когда выход предыдущего элемента соединяется со входом по­ следующего (рис. 5, а), коэффициент передачи системы равен произведению коэффициентов передачи элементов:

12

вых.сист

а

5

Рис. 5. Система с последовательно соединенными элементами:

а — функциональная схема; б — получение статической характеристики

Статическая характеристика такой системы строится графически путем перехода от выходной координаты каж­ дого предыдущего элемента ко входной координате со­ ответствующего последующего элемента. Входная коор­ дината первого элемента и выходная, координата послед­ него являются в этом случае входной и выходной коорди­ натами системы. Путем графического построения может быть также определена характеристика некоторого про­ межуточного звена, обеспечивающего линеаризацию ста­ тической характеристики системы.

При параллельном соединении элементов, то есть когда входы всех элементов соединены параллельно, а выходы присоединены к суммирующей схеме, осу­ ществляющей алгебраическое суммирование выходных сигналов всех элементов, характеристика системы строится путем сложения выходных координат элемен­ тов (рис. 6).

13

А в ы х 1

>

А вых2

>

^Вых (^вь/х?^вых2!~Авых.з)

Авыхз

>

Рис. 6. Система с параллельно соединенными элементами:

— функциональная схема; б — построение статической характеристики при Кс = 1 ,

Коэффициент передачи системы в этом случае опреде­ ляется по следующей формуле:

В случае линейности всех элементов коэффициент пе­ редачи системы будет равен:

где Кс — коэффициент передачи суммирующей схемы. Система со встречно-параллельным соединением эле­ ментов, обычно называемая системой с обратной связью, содержит основной усилительный элемент или элемент прямой передачи, а также элемент обратной связи, или

элемент обратной передачи (рис. 7, 8).

А&е

12.

Авых~ХАвх

а

Характеристика элемента 1

5

Рис. 7. Система с отрицательной обратной связью:

а _ функциональная схема; б — построение статической характеристики

а

Характеристика системы

Рис. 8. Система с положительной обратной связью:

а — функциональная схема; б — способ построения статической характе­ ристики

Коэффициент передачи основного (усилительного)

д

элемента К= ВЬ|Х называется коэффициентом прямой Л„х

передачи. Коэффициент передачи элемента обратной свя­

В системе с обратной связью элемент обратной связи соединен с выходом основного усилительного элемента и воздействует на вход основного усилительного элемента через схему суммирования, в которой задающий сигнал

16

Л3 складывается алгебраически с сигналом обратной свя­

зи А 0.с.

При разомкнутой цепи обратной связи суммарный ко­ эффициент передачи с выхода элемента обратной связи на вход системы равен ±/Гу. Этот коэффициент пере­ дачи называется петлевым усилением или фактором обратной связи. Фактор обратной связи положителен при положительной обратной связи (см. рис. 8) и отри­ цателен при отрицательной обратной связи (см. рис. 7). Величина входного сигнала на элементе прямой передачи с учетом фактора обратной связи определится из следую­ щего уравнения:

или глубиной обратной связи. Возвратная разность при

17

большой глубине обратной связи) мало зависит от вели­ чины коэффициента усиления элемента прямой передачи и может быть приближенно оценен по следующей форму­ ле:

Отсюда видно, что при достаточно высоком коэффици­ енте усиления элемента прямой передачи коэффициент усиления системы с отрицательной обратной связью Ко.с зависит в основном от коэффициента передачи элемента обратной связи. Кроме того, видно, что для получения коэффициента усиления Ко. с, большего единицы, необхо­ димо, чтобы коэффициент передачи j элемента цепи от­ рицательной обратной связи был меньше единицы. Но поскольку элементы, обеспечивающие коэффициент пере­ дачи меньший единицы, являются пассивными элемента­ ми и имеют, как правило, весьма высокую стабильность, то и определяемый этим коэффициентом передачи коэф­ фициент усиления системы с отрицательной обратной связью также будет весьма стабилен.

При положительной обратной связи величина возврат­ ной разности 1—К~[ может меняться от единицы до ну­ ля, если изменять петлевое усиление от нуля до единицы. При увеличении глубины положительной обратной связи, т. е. при приближении петлевого усиления К~[ к единице, коэффициент усиления системы Ко. с возрастает, при­ ближаясь к бесконечности.

Поэтому при глубокой положительной обратной связи даже самые малые изменения петлевого усиления K j могут привести к большим изменениям общего коэффици­ ента усиления Ко. с, то есть стабильность общего коэффи­ циента усиления системы будет низкая.

Статическая характеристика системы

собратной связью

Втом, что при отрицательной обратной связи суммар­ ный коэффициент усиления системы уменьшается, а при положительной обратной связи увеличивается, можно убедиться также при построении статической характери­ стики системы с обратной связью.

Для построения такой характеристики необходимо

иметь-е^тичес-кие»- ха^а^еристики входящих в систему

18

элементов — элемента прямой передачи и элемента оо-

ратной связи.

Для графического построения характеристики систе­ мы с обратной связью целесообразно задаться величиной А которая несет наибольшее количество информации с точки зрения графического построения. Эта величина является общей координатой для всех трех характерис­ тик, а именно: выходной координатой системы с обрат­ ной связью, выходной координатой элемента прямой пе­ редачи и входной координатой элемента обратной свя­ зи (рис. 7, б, 8,6).

Выбор этой величины определяет положение рабочей точки на характеристике элемента прямой передачи В и рабочей точки на характеристике элемента обратной свя­ зи В'. Для нахождения рабочей точки на характеристике системы с обратной связью необходима величина входной координаты Аэ системы. Ее можно получить в соответ­ ствии с формулой (12) путем графического сложения ве­

графического вычитания из величины Авх величины Л0.с при положительной обратной связи.

Полученные построения наглядно показывают, что ко­ эффициент усиления системы с отрицательной обратной связью ниже, чем коэффициент усиления элемента пря­ мой передачи, а коэффициент усиления системы с положи­ тельной обратной связью выше, чем коэффициент усиле­ ния элемента прямой передачи.

§ 5. Виды обратной связи

Обратные связи, применяемые в усилителях для улуч­ шения их свойств, классифицируются по способу сумми­ рования входного сигнала и сигнала обратной связи, а также по параметру выходного сигнала, от которого зави­ сит сигнал обратной связи.

По первому признаку различают параллельную и по­ следовательную обратные связи. Эти виды обратной связи различно влияют на входные свойства усилителя.

По второму признаку различают обратную связь по току и обратную связь по напряжению. Они по-разному влияют на выходные свойства усилителя, охваченного об­ ратной связью.

19