Обратная связь в электронных усилителях

Обратной связью в электронных усилителях называют электрическую связь, передающую сигнал с выхода усилителя обратно на его вход. Количественно обратную связь оценивают коэффициентом обратной связи γ, показывающим, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя.

Так как сигнал на входе представляет напряжение, сигнал обратной связи (для возможности совместного его использования с входным сигналом) также удобно формировать в виде напряжения.

Обратную связь можно осуществить по напряжению, если сигнал обратной связи U_ос пропорционален выходному напряжению; или по току, если U_ос пропорционален выходному току.

Напряжение обратной связи может вводиться параллельно с входным напряжением или последовательно с ним.

Обратная связь может быть положительной, если напряжение U_ос действует согласно с напряжением U_вх (для сигналов постоянного тока они складываются, а для сигналов переменного тока они совпадают по фазе); или отрицательной, если напряжение U_ос действует встречно с напряжением U_вх (для сигналов постоянного тока они вычитаются, а для переменного – находятся в противофазе). Обратные связи существенно влияют на параметры и характеристики усилителей.

Чтобы увидеть это, построим эквивалентную схему, показанную на рис. 6.

U_д

U_вых

П

Рис. 6

На этой схеме блок А является усилителем с коэффициентом усиления без обратной связи, равным А, а блок γ является цепью обратной связи с коэффициентом γ.

При разомкнутом положении переключателя “П” выходное напряжение будет определяться равенством .

После замыкания переключателя “П” (вводится положительная обратная связь) входной сигнал усилителя U_д станет равным , тогда . Разрешая это уравнение, получим , где K_пос – коэффициент усиления по напряжению при наличии обратной связи.

Из выведенного соотношения видно, что если γА → 1, то K_пос»А – положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. По аналогии, введя отрицательную обратную связь, придем к выводу, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления . Тем не менее, в усилителях чаще используют отрицательную обратную связь, потому что она ценой снижения коэффициента усиления позволяет улучшить характеристики усилителя и другие его параметры.

Важным показателем качества работы усилителя является стабильность его коэффициента усиления. Оценим ее при отрицательной обратной связи, для чего продифференцируем выражение K_оос по А:

.

Разделив обе части на K_оос, получим: , откуда следует, что относительное изменение коэффициента усиления с введенной отрицательной обратной связью (по каким бы причинам оно не происходило) уменьшается в (1+γА) раз по сравнению с усилителем без обратной связи. Таким образом, стабильность K_оос значительно лучше.

При γА» 1 (так называемая глубокая отрицательная обратная связь) можно пренебречь единицей в знаменателе выражения для K_оос и получить соотношение , означающее, что K_оос практически не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а значит и его возможных изменений. Поэтому стабильность K_оос определяется только стабильностью коэффициента γ, которую можно обеспечить достаточно высокую.

Найдем входное сопротивление усилителя при последовательной обратной связи.

, откуда .

Входное сопротивление для схемы усилителя с последовательной обратной связью:

,

где R_вх – входное сопротивление собственно усилителя без обратной связи. Таким образом, отрицательная обратная связь значительно увеличивает входное сопротивление усилителя, что благоприятно сказывается на работе источника сигнала (не перегружает его).

Обратная связь может явиться причиной самовозбуждения усилителя, когда в нем возникают колебания напряжения и тока при отсутствии сигнала на входе.

Если при положительной обратной связи γА ≥ 1, то малейший входной сигнал (любое случайное колебание U_вх) усилится и вернется по цепи обратной связи на вход усилителя, причем значение вернувшегося сигнала будет больше входного сигнала или при γА=1 равно ему. Даже если входной сигнал прекратится, вернувшийся сигнал заменит его и, будучи снова усиленным, начнет циркулировать в системе усилитель – обратная связь. Таким образом, условие γА ≥ 1 является первым необходимым условием самовозбуждения.

Из рассмотренного процесса самовозбуждения очевидно, что сигнал обратной связи в состоянии заменить начальный входной сигнал только в том случае, если U_ос не только равно или больше U_вх по амплитуде, но и совпадает с ним по фазе, т.е. сдвиг фаз между ними Δφ = 0, что и характерно для положительной обратной связи. Заметим, что при отрицательной обратной связи напряжение U_ос и U_вх находятся в противофазе, т.е. сдвиг фаз между ними φ=180˚. Таким образом, вторым необходимым условием самовозбуждения является отсутствие сдвига фаз (φ=0) между сигналом обратной связи и входным сигналом.

В реальном усилителе и в реальной цепи обратной связи всегда имеются фазовые сдвиги, значение которых зависят от параметров реактивных элементов. Эти фазовые сдвиги зависят от частоты усиливаемого сигнала, изменяющегося по частоте в значительных пределах, поэтому отрицательная обратная связь, осуществленная на одной частоте, может перейти в положительную на другой. При проектировании усилителей стремятся избежать режима самовозбуждения, создавая так называемый запас устойчивости по фазе.

Дата добавления: 2015-07-16