3.2. Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики усилителя

Влияние ООС на коэффициент усиления. Как следует из формулы (3.2) при введении ООС номинальное усиление уменьшается в F-раз (в фактор обратной связи раз).

Влияние ООС на полосу пропускания f. При введении ООС увеличивается полоса пропускания усилителя. Поскольку площадь усиления постоянно – , то расширение полосы пропускания происходит обратно пропорционально уменьшению коэффициента усиления (в фактор обратной связи раз).

Рис.3.6. Изменение АЧХ при введении ОС

Влияние ООС на стабильность усилителя. Введение ООС позволяет повысить стабильность работы усилителя.

Для схемы на рис.3.1 имеют место следующие соотношения:

.

(3.3)

Если в результате действия дестабилизирующих факторов начинает увеличиваться входное напряжение, то это приведёт к увеличению выходного напряжение и напряжения ООС, что в свою очередь вызовет уменьшение входного напряжения усилителя, а, следовательно, и выходного напряжения усилителя – .

Влияние ООС на нелинейные искажения. В результате усиления входного сигнала амплитуда выходного напряжения может достигать больших значений в каждом каскаде, что приведет к попаданию в нелинейную часть характеристики ВАХ и появлению нелинейных искажений. Для уменьшения нелинейных искажений, которые чаще всего появляются в оконечных каскадах, вводят ООС.

Рис.3.7. Изменение АХ при введении ОС

На графике вследствие передачи напряжения через цепь ОС – ab = cd, поскольку отрезок . При введении ОС, для того чтобы увеличить выходное напряжение с величины до величины необходимо увеличивать входное напряжение с величины до величины . Это необходимо, поскольку при введении ООС коэффициент усиления уменьшится ( ), и выходное напряжение будет равно .

В исходном усилителе без ООС область нелинейности амплитудной характеристики лежит в диапазоне рабочих входных напряжений, а при введении ООС область нелинейности смещается в нерабочую область больших входных сигналов. Чем больше фактор обратной связи, тем меньше нелинейные искажения и больше ДД по входу, тем меньше паразитных гармоник в выходном сигнале.

Однако фактор обратной связи нельзя увеличивать бесконечно. Его увеличение ограничено:

• значением номинального коэффициента усиления;

• увеличением входной мощности сигнала (в этом случае возможен вариант, когда входная мощность превысит выходную);

• возникновением опасности самовозбуждения усилителя (глубокая ООС может перейти в глубокую ПОС).

Влияние ООС на устойчивость усилителя. Задача обеспечения устойчивой работы усилителя является весьма важной. Усилитель становиться неработоспособным, если он теряет устойчивость, т.к. усилитель переходит в режим самовозбуждения, который сопровождается изменением его основных свойств. Это происходит из-за фазовых сдвигов, вносимых как каскадами усилителя, так и цепью ООС, в результате чего веденная в усилителе ООС, которая предназначалась для улучшения его характеристик и параметров у границ рабочего частотного диапазона, за его пределами становиться ПОС. При этом коэффициент усиления усилителя стремиться к бесконечности. Физически это означает наличие выходного напряжения при отсутствии напряжение на входе. Усилитель переходит в режим автогенерации.

Проверка усилителя на устойчивость проводится для случая, когда заведомо задана устойчивая структура, в которой отсутствие автоколебаний зависит только от параметров усилителя. В этом случае, для анализа устойчивости усилителя используется его передаточная функция. Для оценки устойчивости усилителя вводят критерии устойчивости. Различают алгебраические и частотные критерии устойчивости. Первые позволяют судить об устойчивости по коэффициентам характеристического уравнения, вторые – по форме АЧХ. Для инженеров наиболее удобными являются частотные критерии устойчивости.

Среди частотных критериев устойчивости обычно применяется критерий Найквиста (или годограф). Критерий Найквиста базируется на теореме «принцип аргумента», по которой функция частоты выражается через модуль и аргумент коэффициента усиления в полярной системе координат. В такой системе координат баланс фаз выполняется на оси , а баланс амплитуд выполняется на окружности радиусом единица с центром в начале координат. Таким образом, критической точкой будет точка с координатами ( ; ).

Различают три типа годографов усилителей (рис 3.8).

Рис.3.8. Разновидности годографов усилителей: 1) годограф абсолютно устойчивого усилителя, 2) годограф условно устойчивого усилителя, 3) годограф неустойчивого усилителя

1. Абсолютно устойчивый усилитель. Фазовый сдвиг здесь такой, что при любом значении коэффициента усиления критическая точка с координатами (-1;0) не охватывается годографом.

2. Условно устойчивый усилитель. Годограф не охватывает критическую точку. Однако коэффициент усиления здесь таков, что при перегрузке усилителя сильным сигналом или помехой, годограф может сместиться и охватить критическую точку. Это приведет к самовозбуждению усилителя. Чтобы не допускать выполнения условия самовозбуждения в условно устойчивых усилителях при перегрузках, необходимо осуществлять автоматическую регулировку фазового сдвига, изменяя форму годографа (рис. 3.9).

Рис.3.9. Регулировка фазового сдвига условно устойчивого годографа

3. Неустойчивый усилитель. Критическая точка охватывается годографом, поэтому усилитель является неустойчивым. Однако если уменьшить коэффициент усиления усилителя критическая точка не будет охвачена годографом и неустойчивый усилитель станет устойчивым. Можно подобрать такое значение коэффициента усиления усилителя, что годограф пройдет через критическую точку, и усилитель окажется на границе устойчивости.

Вследствие технологического и температурного разброса параметров усилителя рассчитанный теоретически годограф не будет совпадать с реальным. Для того чтобы избежать самовозбуждения усилителя в результате изменения его годографа под действием указанных выше факторов предусматривают запас устойчивости усилителя (запас по усилению и запас по фазе ).

Рис.3.10. Запас устойчивости по усилению – и запас по фазе –

Рекомендуемое значение запаса по усилению составляет , а по фазе . Все рекомендации относятся к запасу устойчивости инверсного усилителя.

Для обеспечения устойчивой работы усилителя следует снижать коэффициент усиления за пределами полосы пропускания, т.е. необходимо вводить частотно-зависимую ООС, для того, чтобы за пределами полосы пропускания не выполнялось условие баланса фаз.

Обобщая влияние ООС на работу усилителя, следует сказать, что ООС улучшает все характеристики усилителя за исключением коэффициента усиления.