12. Обратные связи в активных четырёхполюсниках

При рассмотрении транзисторных усилителей схемы включения транзисторов классифицировались по включению их выводов в схеме четырёхполюсника. Частично затрагивалась отрицательная обратная связь.

Здесь рассмотрим несколько видов обратной связи.

Под обратной связью в активных четырёхполюсниках понимают передачу выходного сигнала или его части на вход четырёхполюсника. Обратная связь может быть внутренняя и внешняя.

Внутренняя обратная связь обусловлена, в основном, паразитными внутренними связями в устройстве. Паразитная обратная связь происходит посредством магнитных и электрических полей. В интегральных микросхемах за счёт нагрева кристалла транзисторами выходных каскадов возникает тепловая обратная связь на сверхнизких частотах. Эти связи образуются при изготовлении устройства. В готовом устройстве их практически невозможно регулировать. Внутренняя обратная связь, как правило, приводит к искажениям характеристик устройства, а иногда и к самовозбуждению колебаний в устройстве. Внутренняя обратная связь описывается параметрами обратной связи четырёхполюсника Y₁₂, Z₁₂, h₁₂ и т.п. Разрабатывая электронные устройства следует минимизировать внутренние обратные связи.

Внешняя обратная связь создаётся путём подключения к четырёхполюснику цепи (звена) обратной связи. Параметры внешней обратной связи несложно регулировать.

Внешние обратные связи (далее просто обратные связи) являются эффективным средством управления характеристиками усилителя, такими как коэффициент усиления, уровень шумов, частотные и фазовые характеристики, нелинейные искажения.

Цепи обратной связи могут быть частотно независимыми и частотно зависимыми.

В зависимости от способа присоединения цепи обратной связи к четырёхполюснику различают четыре вида внешней обратной связи.

По способу подключения к выходным контактам четырёхполюсника обратные связи делятся на обратную связь по напряжению и обратную связь по току.

По способу подключения к входным контактам четырёхполюсника обратные связи делятся на последовательную обратную связь и параллельную обратную связь.

Таким образом, возможны:

- последовательная обратная связь по напряжению, рис. 12.1.а;

- последовательная обратная связь по току, рис. 12.1.б;

- параллельная обратная связь по напряжению, рис. 12.1.в;

- параллельная обратная связь по току, рис. 12.1.г.

На рис. 12.1 стрелками указано направление передачи сигналов в четырёхполюсниках.

В случае последовательной обратной связи (рис. 12.1 а и б) суммируются напряжение входного сигнала усилителя и напряжение сигнала, поступившего по цепи обратной связи. В случае параллельной обратной связи суммируются ток входного сигнала и выходной ток цепи обратной связи (рис. 12.1. в и г). В случае обратной связи по напряжению сигнал цепи обратной связи пропорционален выходному напряжению усилителя (рис. 12.1. а и в). В случае обратной связи по току сигнал цепи обратной связи пропорционален выходному току усилителя (рис. 12.1.б и г).

Сигнал по цепи обратной связи может поступать во входную цепь в фазе с входным сигналом (положительная обратная связь) или в противофазе (отрицательная обратная связь).

Рис. 12.1. Классификация видов обратной связи.

Обратная связь может быть частотно зависимой или частотно независимой в широком диапазоне частот. Обратная связь может быть независимой от амплитуды сигнала (линейная) и зависимой от амплитуды сигнала (нелинейная).

Для построения усилителей применяют отрицательные обратные связи, так как они улучшают и стабилизируют их основные характеристики и параметры.

Для построения генераторов используют положительную обратную связь, так как она обеспечивает баланс фаз в автогенераторах.

Влияние обратной связи на свойства усилителя

Рассмотрим влияние обратной связи на величину коэффициента усиления усилителя. Используем обозначения: коэффициент усиления усилителя без обратной связи – Ќ, коэффициент усиления усилителя с обратной связью – Ќ_ос, коэффициент передачи цепи обратной связи – , выходное напряжение, падающее на нагрузке – .

Определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью Ќ_ос через коэффициент усиления усилителя без обратной связи и коэффициент передачи звена обратной связи. В соответствие с рис. 12.1 выходное напряжение усилителя выделяется на резисторе нагрузки R_Н. Напряжение на выходе звена обратной связи

• = *

Для напряжения на входах 1, 2 в случае положительной обратной связи

= + = * Ќ + .

Выходное напряжение усилителя с учётом положительной обратной связи

• = ( + * )* Ќ .

Разделив выходное напряжение на входное, получаем коэффициент усиления с учётом обратной связи

Ќ_ос = / = Ќ/(1- Ќ) .

Знаменатель полученного выражения часто называют фактором обратной связи.

Модуль коэффициента передачи цепи обратной связи, выполненной на пассивных элементах, меньше единицы. Такая величина коэффициента передачи во многих случаях оправдана, так как для получения необходимого воздействия на характеристики усилителя достаточно подавать на его вход только часть выходного напряжения. Коэффициенты Ќ и и, соответственно, их произведение могут быть как положительными, так и отрицательными. Поэтому, в соответствие с последним выражением, коэффициент усиления может увеличиваться благодаря обратной связи или уменьшаться.

Обратная связь, увеличивающая величину коэффициента усиления, называется положительной, уменьшающая – отрицательной.

Отрицательная обратная связь часто применяется в усилительной технике, так как она стабилизирует работу усилителя, уменьшая зависимость от изменения параметров радиоэлементов. Её также применяют для увеличения входных и уменьшения выходных сопротивлений усилителей.

Влияние обратной связи на стабильность коэффициента усиления усилителя

Рассмотрим изменение модуля коэффициента усиления. Обозначим модуль коэффициента усиления усилителя без обратной связи К. Под действием дестабилизирующих факторов он изменяется на величину ∆К. Соответственно для усилителя с обратной связью модуль коэффициента усиления К_ОС изменится под действием этих дестабилизирующих факторов на величину ∆К_ОС [24].

Нестабильность модулей коэффициентов усиления усилителей определяется отношениями

∆К/К и ∆К_ОС/ К_ОС,

для усилителя без обратной связи и для усилителя с обратной связью, соответственно.

Рассмотрим связь между этими отношениями, взяв производную по модулю коэффициента усиления без обратной связи

.

Выполнив преобразования, получаем

.

Поделим обе части равенства на К_ОС и умножим на dK, тогда

.

Осталось перейти от бесконечно малых приращений к конечным

Как следует из последнего выражения, при положительной обратной связи нестабильность коэффициента усиления усилителя увеличивается, а при отрицательной уменьшается в число раз, равное фактору обратной связи. Применяя глубокую обратную связь, можно обеспечить высокую стабильность коэффициента усиления усилителя.

Вопросы для самопроверки

95. Что понимаются под обратными связями в активных четырёхполюсниках?

96. Чем обусловлена обратная связь в активных четырёхполюсниках?

97. Перечислите виды обратной связи, образующиеся при подключению внешних цепей к четырёхполюснику.

98. Поясните рисунком последовательную обратную связь по напряжению.

99. Поясните рисунком последовательную обратную связь по току.

100. Поясните рисунком параллельную обратную связь по напряжению.

101. Поясните рисунком параллельную обратную связь по току.