Обратная связь в усилителях

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратной связью называется такая электрическая связь между каскадами усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя подается обратно на его вход. Обратная связь может быть полезной, если она возникает в результате применения специальных схем и служит для улучшения свойств усилителя, или паразитной, если она возникает за счет нежелательного влияния различных цепей друг на друга.

На рис.1-3 показаны структурные схемы усилителей с различными способами подключения цепи обратной связи к выходной и входной цепям. Элемент связи, обозначенный буквой , является элементом обратной связи, посредством которого часть напряжения с выхода усилителя попадает обратно на его вход. Если цепь обратной связи подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке Z_н, то напряжение обратной связи будет прямо пропорционально напряжению на выходе; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению (рис.1).

Рис.1 Обратная связь по напряжению, последовательная.

Если цепь обратной связи подключается к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет прямо пропорционально току нагрузки ; такую обратную связь называют обратной связью по току (рис.2).

Рис.2 Обратная связь по току, последовательная.

Если цепь обратной связи подключается ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала, то обратную связь называют последовательной (рис.1, 2). Если же цепь обратной связи подключается ко входу параллельно источнику сигнала, то обратную связь называют параллельной (рис.3).

Рис.3 Обратная связь по напряжению, параллельная.

Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительная обратная связь возникает в том случае, когда напряжение обратной связи совпадает по фазе с входным напряжением . Отрицательной обратной связью называется такая связь между выходом и входом, когда напряжение обратной связи противоположно по фазе входному напряжению , т. е. оба эти напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°.

Наиболее распространенной в усилителях является последовательная отрицательная обратная связь по напряжению. Следует обратить внимание на то, что параметры, характеризующие усилитель с обратной связью, в общем случае имеют комплексный характер.

ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Для вывода формулы коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью, воспользуемся структурной схемой, приведенной на рис.1. Здесь усилитель с коэффициентом усиления охвачен обратной связью, которая осуществляется специальной цепью. Отношение напряжения с выхода этой цепи и поступающее на вход усилителя к напряжению на выходе усилителя называется коэффициентом обратной связи:

;

Для случая с отрицательной обратной связью

;

Подставим значение в ранее приведенное соотношение :

;

;

;

;

Отсюда можно найти коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью:

;

В случае положительной обратной связи, коэффициент усиления будет равен:

;

Рассмотрим, как будет влиять отрицательная обратная связь на изменения коэффициента усиления на примере. Пусть усилительный каскад с коэффициентом усиления охвачен отрицательной обратной связью, причем коэффициент передачи цепи обратной связи . Коэффициент усиления каскада, охваченного отрицательной обратной связью, составит

;

Предположим, что коэффициент усиления указанного усилителя, неохваченного отрицательной обратной связью, увеличился на 10%. Тогда коэффициент усиления этого усилителя при охвате его отрицательной обратной связью составит:

;

Относительное изменение коэффициента усиления при охвате усилителя отрицательной обратной связью составит:

;

Физически стабилизация коэффициента усиления при введении отрицательной обратной связи объясняется следующим образом. Если за счет каких-либо причин усиление изменилось на величину , то напряжение обратной связи изменится на соответствующую величину , причем, если усиление возросло, то возрастет напряжение обратной связи, что вызовет уменьшение входного напряжения; если усиление упало, то уменьшится напряжение обратной связи, что вызовет увеличение входного напряжения. Таким образом, отрицательная обратная связь препятствует любым изменениям величины коэффициента усиления.

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ

ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Найдем входное сопротивление усилителя при последовательной отрицательной обратной связи (рис.4). Для схемы без обратной связи входное сопротивление равно .

Рис.4 К расчету входного сопротивления усилителя при последовательной отрицательной обратной связи.

При отрицательной обратной связи:

;

Или

;

Подставим ;

;

;

;

;

;

;

Из последнего выражения видно, что при введении последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя возрастает в раз. Это объясняется тем, что напряжение обратной связи вычитается из напряжения , поступающего на вход сигнала, и поэтому к входу самого усилителя приложено разностное напряжение . В результате входной ток уменьшается, а входное сопротивление увеличивается.

ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА НЕЛИНЕЙНЫЕ
ИСКАЖЕНИЯ

Предположим, что усилитель при синусоидальном сигнале на входе создает на выходе, кроме синусоидального напряжения , также напряжение помехи – гармоники, вызванной нелинейными искажениями (рис.5).

Рис.5 Влияние отрицательной обратной связи на напряжение гармоники сигнала, вызванное нелинейными искажениями.

При введении отрицательной обратной связи на выходе усилителя возникает новое напряжение помехи , равное разности напряжения , вносимого усилительным каскадом, и напряжения , прошедшего через цепь обратной связи и усилитель, а следовательно, помноженного на :

;

;

;

;

Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшает напряжения гармоник, вносимым усилительным каскадом в раз. Указанное соотношение справедливо как для любой гармонической составляющей нелинейных искажений, вносимых усилителем, а поэтому справедливо для коэффициента нелинейных искажений:

;

где - коэффициент нелинейных искажений усилителя с отрицательной обратной связью; - его значение при отсутствии обратной связи.

ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ЧАСТОТНЫЕ
ИСКАЖЕНИЯ

Допустим, что в усилителе коэффициент частотных искажений , т. е. усиление на низших частотах меньше, чем на средних частотах . При отрицательной обратной связи:

;

т. к. , то отношение . Таким образом, .

Таким образом частотные искажения в усилителе с отрицательной обратной связью значительно уменьшаются (рис.6).

Рис.6 Амплитудно-частотные характеристики усилителя: а)без отрицательной обратной связи; б) с отрицательной обратной связью

Сглаживание амплитудно-частотной характеристики при введении отрицательной обратной связи объясняется физически так. Уровень напряжения отрицательной обратной связи на разных частотах различен. В области частот, где имеется подъем, обратная связь больше ослабляет усиление, чем на частотах, где имеется завал амплитудно-частотной характеристики. Таким образом, неравномерность характеристики сглаживается.

СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Одной из схем усилителей с отрицательной обратной связью является эмиттерный повторитель (рис.7). В эмиттерных повторителях используется схема включения транзистора с общим коллектором. В указанной схеме сопротивление нагрузки R_э включено в цепь эмиттера одновременно в цепь выхода и входа, и сигнал на нем совпадает по фазе с входным сигналом на базе.

Рис.7 Схема эмиттерного повторителя.

К эмиттерному переходу указанные сигналы и приложены навстречу друг другу, т. е. в эмиттерном повторителе действует отрицательная обратная связь. Т. к. напряжение полностью приложено ко входной цепи, то коэффициент передачи цепи обратной связи . Отсюда можно определить коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя:

;

Отсюда следует, что эмиттерный повторитель не дает усиления по напряжению. Т. к. в эмиттерном повторителе применена последовательная отрицательная обратная связь, то его входное сопротивление в раз больше, чем у обычного каскада с общим эмиттером.

На рис.8 изображена схема двухкаскадного УНЧ с отрицательной обратной связью через конденсатор С_ос.. В данной схеме напряжение отрицательной обратной связи подается на эмиттер первого каскада (если напряжение обратной связи в данном случае подать на базу, то обратная связь будет положительной)

Рис.8 Двухкаскадный УНЧ с отрицательной обратной связью.

Дата добавления: 2015-08-29