Обратная связь в электронных системах

Устройства и системы в различных режимах работы подвергаются постоянному воздействию дестабилизирующих факторов, будь то электромагнитные помехи, изменение температуры окружающей среды, давления, влажности, старения собственных элементов, влияния интенсивности входных сигналов и т.д. В этой связи должна производиться постоянная корректировка работы электронных устройств и систем для обеспечения заданных условий функционирования. В автоматическом режиме это становится возможным только при использовании отрицательной обратной связи (ООС), принцип которой заключается в том, что выходной сигнал любого электронного устройства, взятый в определенном масштабе, сравнивается с самим этим выходным сигналом и на вход электронного устройства подается разность этих величин, называемая сигналом рассогласования.

Возможно применение положительной обратной связи (ПОС), когда часть выходного сигналя электронного устройства суммируется с его входным сигналом. В этом случае электронное устройство переходит в режим автогенерации, т.е. непрерывно генерирует выходные сигналы с заданными параметрами. Такой режим применяется в различных генераторах периодических сигналов в аналоговой и цифровой схемотехнике.

Положительная обратная связь может быть паразитной в усилительных устройствах, что проявляется в виде самопроизвольной генерации «ненужных» сигналов на его выходе. Это состояние называют самовозбуждением, которое реализуется за счет паразитных связей (цепей), связывающих выход с входом электронного устройства. Наличие паразитной ПОС предъявляет особые требования конструкции, расположению и экранированию функциональных узлов в корпусе электронной аппаратуры.

Электрические цепи, обеспечивающие ООС, носят название цепей обратной связи, которые могут быть чисто активными, нелинейными, частотнозависимыми, по постоянному или по переменному токам или напряжениям, комбинированные и др. Обратная связь может быть местной, охватывающей один или несколько каскадов усилителя, или общей, охватывающей целиком весь усилитель. Структурная схема усилителя, охваченного общей ОС приведена на рисунке 1.75. Произведем анализ основных соотношений такой системы для входных и выходных напряжений.

Рис. 1.75

Для количественной оценки степени влияния цепи ОС используют коэффициент передачи обратной связи ɣ, показывающий, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя, ɣ = U_ос/U_вых. Аналогично для токов ɣ_I = I_ос/I_вых и в общем случае ɣ_P = P_ос /P_вых.

При анализе будем считать, что фазовые сдвиги в цепях усилителя и ОС отсутствуют. Тогда коэффициент усиления усилителя, полностью охваченного такой цепью ОС,

К _ос = U_вых /U_вх. (1.50)

Из рисунка 1.75 видно, что

U ₁ = U _вх + U _ос;

U _ос = ɣU _вых; (1.51)

U _вых = KU₁,

где К – коэффициент усиления усилителя без ОС.

Тогда (1.50) можно записать в виде

К _ос = KU₁/ (U ₁ ± U _ос) = KU₁ (U ₁ ± КɣU ₁) = К /(1 ± Кɣ). (1.52)

Произведение Кɣ называется петлевым усилением, (1 ± Кɣ) – глубиной обратной связи.

Знак в выражении в скобках указывает на увеличение или уменьшение коэффициента К _ос, в первом случае имеем ПОС, а во втором – ООС. Значение петлевого усиления при ПОС ограничено согласно (1.52) условием

Кɣ < 1. (1.53)

При Кɣ ≥ 1 усилитель теряет устойчивость и не может рассматриваться по своему назначению, т.к. выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного сигнала. Любой малый входной сигнал, возникший в линейной усилительной цепи, охваченной ПОС, вызовет появление выходного сигнала, значение которого стремится к бесконечности. В реальном усилителе такое усиление из-за ограничений невозможно. В результате будет не «бесконечно» большое усиление, а появятся незатухающие автоколебания или на выходе будет сигнал, ограниченный напряжением питания усилителя.

С учетом вышеизложенного существует два условия возникновения автоколебаний – баланс амплитуд и баланс фаз: |Кɣ| ≥ 1; φ º = 0. Последнее условие формулируется следующим образом: фазовый сдвиг, вносимый усилителем и цепью ОС, должен быть равен 0º на частоте автоколебаний.

Если усилитель или цепь ОС вносит фазовый сдвиг, равный 180º, то входной сигнал и сигнал обратной связи вычитаются друг из друга:

U _вх = U ₁ – U _ос, а ОС становится отрицательной.

Применение ООС обеспечивает: повышение стабильности коэффициента усиления при смене активных элементов, нестабильности напряжения питания и т.п.; расширение полосы пропускания усилителя; уменьшение фазового сдвига между входным и выходным сигналами; снижения уровня нелинейных искажений и собственных помех, увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений усилителя и т.д. При использовании ООС по напряжению усилитель приближается к идеальному источнику напряжения, выходной сигнал которого мало изменяется при нестабильности нагрузки. Обратная связь по току стабилизирует нагрузочный ток, приближая усилитель к идеальному источнику тока.

В зависимости от способа получения сигнала различают ОС по напряжению, когда снимаемый сигнал пропорционален выходному напряжению; ОС по току, когда снимаемый сигнал пропорционален выходному току; комбинированную ОС, когда снимаемый сигнал пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи (рис. 1.76, а).

а)

б)

Рис. 1.76

По способу введения во входную цепь сигнала ОС различают: последовательную схему введения обратной связи, когда напряжение сигнала ОС суммируется с входным напряжением; параллельную схему введения обратной связи, когда ток цепи ОС суммируется с входным током; смешанную схему введения обратной связи, когда с входным сигналом суммируется ток и напряжение цепи ОС (рис. 1.76, б).

Независимо от вида ООС приводит к уменьшению входного сигнала непосредственно на входе усилителя, а следовательно – к уменьшению коэффициента усиления К _ос.

Последовательная ООС уменьшает результирующее напряжение на входе усилителя, что сопровождается увеличением его входного сопротивления. При этом последовательная ООС по напряжению стабилизирует выходное напряжение усилителя, уменьшая выходное сопротивление, а последовательная ООС по току стабилизирует выходной ток усилителя, увеличивая его выходное сопротивление. Параллельная ООС приводит к увеличению входного тока, в связи с чем, уменьшается входное сопротивление и уменьшается выходное сопротивление усилителя.

Введение ООС широко используется для целенаправленного изменения выходных сопротивлений и позволяет реализовать усилительные устройства с очень малыми (сотые доли Ом) и очень большими выходными сопротивлениями.

1.16.1. Частотно-зависимоя обратная связь применяется, когда необходимо ввести корректировку (исправление) частотной и фазовой характеристик в области нижних, средних и верхних частот или создание избирательных свойств усилителей, а также различных фильтров на их основе.

Частотно-зависимая ОС изменяет частотную характеристику того устройства, в которое она введена, делая ее обратной частотной характеристике коэффициента передачи цепи обратной связи ɣ. Например, если ОС состоит из RC - цепи, как показано на рисунке 1.77, а, то на высоких частотах коэффициент передачи ɣ цепи ОС будет уменьшаться, стремясь к нулю из-за уменьшения сопротивления конденсатора С. Коэффициент усиления К усилителя без ОС в пределах полосы пропускания будет оставаться практически на одном уровне (см. рис. 1.77, б).

а)

б)

Рис. 1.77

Применяя в ООС различные частотно-зависимые цепочки, состоящие из RLC – элементов, можно на основе усилителей создавать фильтры различного назначения (рис. 1.78).

а)

б)

в)

Рис. 1.78

Дата добавления: 2015-08-10