Обратные связи в усилителях

Обратной связью (ОС) называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную. На рис. 51 показана упрощенная структурная схема усилителя, охваченного обратной связью. Собственно усилитель характеризуется коэффициентом усиления , который называют коэффициентом прямой передачи или коэффициентом усиления усилителя без ОС. Цепь обратной связи характеризуется коэффициентом обратной связи b, показывающим, какая часть выходного сигнала передается на вход усилителя. В общем случае коэффициенты прямой передачи и обратной связи могут быть комплексными функциями частоты сигнала.

Рис. 51	л10р1

Обратная связь может быть внутренней, паразитной или искусственной. Внутренняя обратная связь возникает из-за физических свойств усилительных элементов. Паразитная ОС обычно обусловлена емкостными или индуктивными связями между выходными и входными цепями усилителя. Внутренняя и паразитная ОС являются нежелательными. Искусственная ОС широко используется в схемотехнике из-за ряда положительных качеств, приобретаемых усилителем при охвате его ОС.

В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключена к выходу усилителя, различают обратную связь по напряжению и обратную связь по току. В первом случае цепь ОС присоединяют параллельно нагрузке, и сигнал ОС пропорционален напряжению на выходе усилителя (рис. 52,а). Во втором случае цепь ОС соединяют последовательно с нагрузкой, и сигнал обратной связи пропорционален току, текущему через нагрузку (рис. 52,б). Для определения типа ОС необходимо замкнуть накоротко нагрузку — если после этого сигнал ОС обратится в ноль, то имеет место ОС по напряжению, в противном случае имеет место ОС по току.

а)	б)
Рис. 52

В зависимости от того, каким образом сигнал ОС подается на вход усилителя, различают последовательную и параллельную ОС. При последовательной ОС ее цепь со стороны выхода соединена с источником сигнала последовательно (рис. 53,а), при параллельной — параллельно (рис. 53,б). В первом случае в качестве сигнала ОС используется напряжение обратной связи , которое суммируется с напряжением источника сигнала. Во втором случае роль сигнала ОС играет ток обратной связи .

а)	б)
Рис. 53

Таким образом, возможны четыре типа ОС: последовательная по напряжению, параллельная по напряжению, последовательная по току, параллельная по току. Встречаются также ОС, являющиеся комбинациями четырех выше перечисленных, например, последовательная ОС по току и по напряжению одновременно.

Рис. 54	л10р4

Рассмотрим влияние ОС на основные характеристики усилителя на примере охвата его последовательной ОС по напряжению (рис. 54). Так как используется ОС по напряжению, то усилитель будем характеризовать через комплексный коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент ОС будем считать комплексным. Усилитель и цепь ОС будем считать линейными системами.

Подадим на вход охваченного ОС усилителя гармонический сигнал вида

,

где — амплитуда входного сигнала; — частота входного сигнала; — начальная фаза входного сигнала. Тогда сигнал на входе собственно усилителя будет определяться как

,

(7)

сигнал на выходе усилителя:

.

(8)

Сигнал ОС равен

.

(9)

Из выражения (8) с учетом (9) можно определить коэффициент усиления по напряжению усилителя (общий коэффициент усиления), охваченного ОС

.

В силу комплексного вида коэффициентов и будет наблюдаться фазовый сдвиг между напряжениями и , что приведет к тому, что амплитуда сигнала не будет равна алгебраической сумме амплитуд входного сигнала и сигнала ОС. Действительно, пусть сигнал ОС имеет следующий вид:

,

тогда, в соответствие с (7), на вход усилителя поступает сигнал вида

,

где ; .

Амплитуда этого сигнала будет различна при различных разностях фаз . С практической точки зрения представляют интерес два крайних случая:

· фазы сигналов совпадают, т. е. ;

· сигналы находятся в противофазе, т. е. .

В первом случае и амплитуда сигнала, поступающего на вход усилителя, будет определяться как сумма амплитуд сигналов: , т. е. амплитуда сигнала на входе усилителя превосходит амплитуду входного сигнала. В этом случае говорят о положительной обратной связи (ПОС). В случае, когда (второй случай, разность фаз равна ), амплитуда сигнала, поступающего на вход усилителя, будет определяться как разность амплитуд сигналов: , т. е. амплитуда сигнала на входе усилителя меньше амплитуды входного сигнала (при обычно выполняемом на практике условии, что ). В этом случае говорят об отрицательной обратной связи (ООС).

Для того, чтобы не связывать тип ОС — отрицательная или положительная, с разностью фаз принято считать, что эта разность фаз равна нулю для обеих ОС, но в случае ПОС сигнал ОС складывается с входным сигналом, а в случае ООС — вычитается из него*. Соответственно, можно записать два выражения для коэффициента усиления по напряжению усилителя, охваченного ОС:

— для ПОС, — для ООС.

(10)

Знаменатель этих выражений называют глубиной обратной связи (коэффициентом грубости схемы), а произведение — петлевым усилением.

На практике для улучшения характеристик усилителя используют ООС, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только этот тип ОС.

Из рассмотренного выше следует важный вывод — отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя, т. е. . Данное качество ООС нельзя назвать положительным. Однако ООС нашла широкое применение в силу ряда положительных моментов, свойственных ее использованию.

Пусть усилитель обладает значительным коэффициентом усиления и петлевое усиление много больше единицы, . В этом случае можно пренебречь единицей в знаменателе выражения (10). Тогда

.

Иными словами, при большом петлевом усилении коэффициент усиления усилителя, охваченного ООС, перестает зависеть от коэффициента прямой передачи, а определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи. Соответственно, изменения величины коэффициента прямой передачи, вызванные различными дестабилизирующими факторами (температура, радиация и т. п.) не сказываются на величине , если не меняется коэффициент передачи . Обеспечить стабильность коэффициента передачи обратной связи существенно проще, т. к. цепи обратной связи могут быть сформированы с использованием высокостабильных, пассивных компонентов. Таким образом, ООС стабилизирует общий коэффициент усиления. Причем вид реализации ООС (параллельная, последовательная, по току, по напряжению) значения не имеет.

Покажем стабилизирующую роль на примере. Пусть имеется усилитель с коэффициентом усиления по напряжению , причем, в зависимости от внешних факторов, он способен уменьшаться на 10%. Охватим данный усилитель ООС с коэффициентом усиления . В этом случае общий коэффициент усиления составит , следовательно, для обеспечения исходного коэффициента усиления в 1000 раз необходимо использовать три однотипных каскада. В этом случае общий коэффициент усиления определится как . Пусть произошло уменьшение коэффициента прямой передачи каждого каскада на десять процентов, т. е. . Тогда общий коэффициент усиления составит , т. е. десяти процентное изменение коэффициентов прямой передачи привело к изменению общего коэффициента усиления менее чем на 0,4%.

Рассмотрим влияние последовательной ООС по напряжению на входное сопротивление усилителя. Обозначим через входное сопротивление собственно усилителя, включенного в цепи прямой передачи: .

Входное комплексное сопротивление усилителя, охваченного ООС равно

.

(11)

Если коэффициенты и вещественные, то из (11) можно сделать вывод, что последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление. Практически всегда это является положительным фактором.

Характер влияния последовательной ООС на выходное сопротивление не зависит, является она ООС по току или напряжению. Параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя.

Обозначим через и выходное комплексное сопротивление цепи прямой передачи и усилителя, охваченного ООС. Причем, , где , — приращения комплексных действующих значений соответственно выходных напряжения и тока. Предполагается, что цепь ОС не действует (отключена), , а изменение выходного тока и напряжения вызваны изменением сопротивления нагрузки.

Аналогично, , но предполагается, что ОС действует, а . В этом случае причиной возникновения приращения является не только падение напряжения на выходном сопротивлении , но и появление приращения напряжения .

Следовательно, , причем увеличение тока и увеличение напряжения вызывают уменьшение напряжения . В результате получим, что . Если коэффициенты и вещественные, то можно сделать вывод, что последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление. Очень часто это является положительным фактором.

Характер влияния ООС по напряжению на выходное сопротивление не зависит, является она параллельной или последовательной. Введение ООС по току увеличивает выходное сопротивление.

Кроме того, ООС увеличивает полосу пропускания усилителя и снижает уровень нелинейных искажений.

Дата добавления: 2015-07-14