Ενισχυτής με ανασύζευξη τάσης
2.1 Εισαγωγή
Η επαναφορά (ανασύζευξη) ενός μέρους της εξόδου στην είσοδο ενός ενισχυτή του προσδίδει ειδική συμπεριφορά λειτουργίας και ξεχωριστά χαρακτηριστικά που μπορεί να είναι χρήσιμα σε αρκετές εφαρμογές. Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζουμε τις βασικές αρχές των ενισχυτών με αρνητική ανασύζευξη* καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους, ως προς τους ενισχυτές χωρίς ανασυζευξη.
Ανασύζευξη ονομάζεται το φαινόμενο, κατά το οποίο ένα μέρος του σήματος εξόδου αφήνεται να επιστρέφει από την έξοδο και να εφαρμοσθεί στην είσοδο του ενισχυτή.
Υπάρχουν δύο τύποι ανασύζευξης, η αρνητική και η θετική.
Αρνητική ανασύζευξη έχουμε, όταν όλο ή μέρος του σήματος εξόδου (τάσης ή ρεύματος) επιστρέφει, με κατάλληλη συνδεσμολογία, στην είσοδο του ενισχυτή κατά τρόπο, ώστε το σήμα ανασύζευξης (επιστρέφον σήμα) να αφαιρείται από το αρχικό σήμα εισόδου.
Άρα, το ολικό σήμα που εφαρμόζεται κάθε φορά στην είσοδο ενός ενισχυτή με αρνητική ανασύζευξη είναι το αρχικό σήμα εισόδου μείον το σήμα ανασύζευξης (σε στιγμιαίες τιμές).
Επειδή το αρχικό σήμα εισόδου μειώνεται με την αρνητική ανασύζευξη, ανάλογα μειώνεται και το σήμα εξόδου. Για το λόγο αυτό, οι ενισχυτές με αρνητική ανασύζευξη χαρακτηρίζονται από μικρή απολαβή (ενίσχυση), σε σχέση με τους ενισχυτές χωρίς αρνητική ανασύξευξη.
Θετική ανασύζευξη έχουμε, όταν το όλο ή μέρος του σήματος εξόδου (τάσης ή ρεύματος) επιστρέφει, με κατάλληλη συνδεσμολογία, στην είσοδο του ενισχυτή κατά τρόπο, ώστε το σήμα ανασύζευξης (επιστρέφον σήμα), να προστίθεται στο αρχικό σήμα εισόδου.
Γενικά, στους ενισχυτές η θετική ανασύζευξη είναι ανεπιθύμητη, καθόσον ο ενισχυτής καθίσταται τότε ασταθής και τείνει να εργάζεται σαν ταλαντωτής.
Η θετική ανασύζευξη χρησιμοποιείται στα κυκλώματα ταλαντωτών, τα οποία εξετάζονται σε άλλο κεφάλαιο.
* Μερικά βιβλία, αντί του όρου ανασύζευξη, χρησιμοποιούν τον όρο ανατροφοδότηση ή ανάδραση.
2.2 Γενικές αρχές της ανασύζευξης
Το φαινόμενο της ανασύζευξης βρίσκει πολλές πρακτικές εφαρμογές. Μια πρώτη σημαντική εφαρμογή είναι στα συστήματα αυτομάτου ελέγχου.
Η αρνητική ανασύζευξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ενισχυτή για τους εξής λόγους:
1. Για να επιφέρει σταθεροποίηση στην απολαβή τάσης ή ρεύματος.
2. Για να επιφέρει λειτουργία σε μεγαλύτερο γραμμικό τμήμα των χαρακτηριστικών καμπυλών. Αυτό οδηγεί σε βελτίωση της παραμόρφωσης.
3. Για να διευρύνει τη ζώνη διέλευσης συχνοτήτων.
4. Για να ελαττώσει ή να αυξήσει τη σύνθετη αντίσταση εισόδου.
5. Για να ελαττώσει ή να αυξήσει τη συνθετη αντίσταση εξόδου.
6. Για να μειώσει τον εσωτερικό θόρυβο.
7. Για να περιορίσει τη μεταβολή των χαρακτηριστικών μεγεθών λειτουργίας του ενισχυτή λόγω θερμικών επιδράσεων.
Όταν μιλάμε για σταθεροποίηση της απολαβής, εννοούμε το να καταστήσουμε την απολαβή τάσης ή ρεύματος λιγότερο εξαρτώμενη από τις παραμέτρους των τρανζίστορ.
Εξάλλου επιζητούμε μεγαλύτερη γραμμικότητα στη λειτουργία των ενισχυτών, καθόσον θέλουμε να έχουμε στην έξοδο σήματα με μικρότερη παραμόρφωση.
Ακόμα σε όλους γενικά τους ενισχυτές δημιουργούνται, λόγω θερμικών φαινομένων, ηλεκτρικά σήματα διαταραχών τυχαίας συμπεριφοράς, τα οποία ονομάζονται θόρυβοι.
O θόρυβος, ιδίως σε ενισχυτές με πολύ μικρό σήμα εισόδου, δημιουργεί ενοχλητικές καταστάσεις στην εξαγωγή πληροφοριών από το σήμα εξόδου. Η εξαγωγή των πληροφοριών αυτών καθίσταται πολύ δύσκολη, όταν η τάξη μεγέθους του σήματος εξόδου δεν υπερβαίνει την τάξη μεγέθους του θορύβου. Τότε, το σήμα εξόδου καλύπτεται από τους θορύβους. Στην περίπτωση αυτή η ενίσχυση δεν έχει νόημα, αφού ενισχύοντας το σήμα, ενισχύεται εξίσου και ο θόρυβος. Για να περιορίσουμε λοιπόν τους θορύβους, χρησιμοποιούμε αρνητική ανασύζευξη.
Ανάλογα με την επενέργεια της ανασύζευξης στην απολαβή, έχουμε τους εξής δυο βασικούς τύπους ανασύζευξης.
1. Ανασύζευξη ρεύματος.
2. Ανασύζευξη τάσης.
Το σπουδαιότερο κοινό χαρακτηριστικό των δυο αυτών τύπων αρνητικής ανασύζευξης είναι, ότι έχουμε μείωση στην απολαβή.
Μπορούμε επίσης να έχουμε και δυο άλλους τύπους ανασύζευξης.
O ένας ονομάζεται ανασύζευξη παράλληλης διακλάδωσης και ο άλλος ανασύζευξη σειράς.
Το παρακάτω Σχ.2.1 εικονίζει το δομικό διάγραμμα ενός τυπικού ενισχυτή με ανασύζευξη. Η ανασύζευξη μπορεί να αναφέρεται σε τάση ή σε ρεύμα.
2.3 Ενισχυτής με ανασύζευξη τάσης
Αν υποθέσουμε ότι όλα τα σήματα στο διάγραμμα του Σχ.2.1 είναι σήματα τάσης, τότε το διάγραμμα αυτό παριστάνει έναν ενισχυτή με ανασύζευξη τάσης. Περισσότερο όμως αναλυτικά μπορούμε να παραστήσουμε έναν ενισχυτή με ανασύζευξη τάσης όπως εικονίζεται στο Σχ.2.2.
Η αρνητική ανασύζευξη τάσης επιτυγχάνεται, όταν το μέρος του σήματος που επιστρέφει απο την τάση εξόδου στην είσοδο του ενισχυτή είναι τέτοιο, δηλ. έχει τέτοια φάση, ώστε να αφαιρείται απο την τάση εισόδου.
2.3.1 Απολαβή Τάσης με Ανασύζευξη
Στο Σχ.2.2 η τάση εξόδου V0 είναι η τάση που λαμβάνεται στα άκρα της αντίστασης φόρτου RL, ή στην είσοδο του κυκλώματος (δικτυώματος) ανασύζευξης.
Ορίζουμε ως συντελεστή ή λόγο ανασύζευξης τάσης βν του κυκλώματος ανασύζευξης το λόγο:
όπου Vf είναι η τάση του σήματος ανασύζευξης ή αλλιώς η τάση του σήματος που προέρχεται από την έξοδο και εμφανίζεται στην είσοδο του ενισχυτή.
Ορίζουμε επίσης ως απολαβή τάσης ΑV του ενισχυτή χωρίς ανασύζευξη το λόγο:
όπου Vi η τάση εισόδου του ενισχυτή χωρίς (με κομμένη) την ανασύζευξη.
Όπως φαίνεται στο Σχ.2.2, στοιχειοθετούνται τρεις τάσεις εισόδου στον ενισχυτή. Εκτός δηλαδή από τις Vi και Vf, έχουμε και τη συνολική τάση του σήματος εισόδου Vs (με ανασύζευξη). Οι τρεις αυτές τάσεις συνδέονται με την πιο κάτω εξίσωση:
Αν λύσουμε τις Εξ.(2.3.1) και (2.3.2) ως προς Vf και Vi, αντίστοιχα, και αντικαταστήσουμε στην Εξ.(2.3.3), αποδεικνύεται εύκολα ότι η απολαβή τάσης του ενισχυτή με ανασύζευξη (απολαβή κλειστού βρόχου) Avf δίνεται από τη σχέση:
Στην περίπτωση της αρνητικής ανασύζεξης, το ,vAv=Vf / V< 0, δηλ. η τάση ανασύζευξης Vf επιστρέφει στην είσοδο με διαφορά φάσης 180 ο ως προς την τάση εισόδου Vi (άρα η Vf θα είναι αφαιρετική από τη Vi ). Επειδή δε το βνΑν >>1 η πιο πάνω σχέση γράφεται:
Άρα, η απολαβή τάσης με ανασύζευξη αποδεικνύεται πρακτικά ανεξάρτητη απο τις παραμέτρους του ενισχυτή χωρίς ανασύζευξη.
2.3.2 Αντίσταση Εισόδου
Η αντίσταση εισόδου ενός ενισχυτή με ανασύζευξη, Rif , δίνεται από το λόγο της τάσης του σήματος εισόδου (με ανασύζευξη) Vs προς το ρεύμα εισόδου I, δηλαδή:
Αντίστοιχα, η αντίσταση εισόδου ενός ενισχυτή χωρίς ανασύζευξη Ri ορίζεται από το λόγο της τάσης εισόδου (χωρίς ανασυζευξη) Vi προς το ρεύμα εισόδου Ii δηλαδή:
Αποδεικνύεται ότι η αντίσταση εισόδου με ανασύζευξη, δίνεται από την εξίσωση:
Η εξίσωση αυτή συνδέει την αντίσταση εισόδου με ανασύζευξη με την αντίστοιχη χωρίς ανασύζευξη. Στην περίπτωση αρνητικής ανασύζευξης τάσης, η αντίσταση εισόδου με ανασύζευξη είναι μεγαλύτερη από την αντίσταση χωρίς ανασύζευξη. Αυτό οφείλεται στο ότι, αν ικανοποείται το πιο πάνω κριτήριο της αρνητικής ανασύζευξης, δηλ. |βν Αό|>>1, η παρένθεση της Εξ.(2.3.8) θα είναι, σε απόλυτη τιμή, πολύ μεγαλύτερη από τη μονάδα.
2.3.3 Αντίσταση Εξόδου
Η αντίσταση εξόδου ενός ενισχυτή με ανασύζευξη συμβολίζεται με R0f, R0 ενώ χωρίς ανασύζευξη με R0. Αποδεικνύεται ότι οι αντιστάσεις αυτές συνδέονται με την πιο κάτω εξίσωση:
Από την εξίσωση αυτή, βλέπουμε ότι, για την αρνητική ανασύζευξη τάσης, με |βν Aj>>1, η αντίσταση εξόδου με ανασύζευξη είναι πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη αντίσταση χωρίς ανασύζευξη.
2.3.4 Ισοδύναμο Κύκλωμα
Για να σχεδιάσουμε το ισοδύναμο κύκλωμα ενισχυτή με ανασύζευξη τάσης, θεωρούμε και δημιουργούμε το κύκλωμα της Εξ. (2.3.8). Με βάση την εξίσωση αυτή, προκύπτει το ισοδύναμο κύκλωμα που εικονίζεται στο Σχ.2.3.
Παράδειγμα 2-1
Το κύκλωμα του Σχ.2.4 απεικονίζει έναν ενισχυτή με ανασύζευξη τάσης. Τα στοιχεία παράμετροι του κυκλώματος χωρίς ανασύζευξη είναι :
Αv= 100, Ri= 2 ΚΩ και R0 = 5 ΚΩ.
Να βρεθουν οι παράμετροι του κυκλώματος με ανασυζευξη.
Λύση
Με βάση την Εξ.(2.3.1) και ο διαιρέτης τάσης στη γραμμή ανασυζευ-
ξης, ο συντελεστής ανασυζευξης υπολογίζεται από τη σχέση:
Παρατηρούμε ότι, με Avf = 18.7 πλησιάζουμε πολύ την προσεγγιστική τιμή που θα αναμέναμε από την Εξ.(2.3.5), η οποία μας δίνει:
Καλή προσέγγιση της πιο πάνω σχέσης θα είχαμε εάν το βνΑν ήταν μεγαλύτερο από 10.
Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η αντίσταση εισόδου με ανασύζευξη Rif που υπολογίσαμε είναι η αντίσταση που "βλέπει" το κύκλωμα μετά τις αντιστάσεις R και R2 του Σχ.2.4. Για να υπολογισθεί η ολική αντίσταση εισόδου Rif(cA) με ανασύζευξη θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο παράλληλος συνδυασμός των R1 και R2 . Η αντίσταση εισόδου αυτή είναι εκείνη που "βλέπει" το κύκλωμα πριν από τις αντιστάσεις R1 και R2.
Συνεπώς, η ολική αντίσταση εισόδου είναι ο παράλληλος συνδυασμός όλων των αντιστάσεων αυτών, δηλαδή:
