18.Обратные связи в АЭУ, виды обратных связей.

1.2.6 Обратные связи в усилителях

Рисунок 1.14 Структурная схема усилителя с обратной связью

Для улучшения стабильности усиления, изменения входно­го и выходного сопротивлений, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров вводят обратную связь. Обратной связью (ОС) в усили­телях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь, по которой осуществляется передача сиг­нала ОС, называется цепью обратной связи. Петлей ОС называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. Местной петлёйОС (местной ОС) называют ОС, охватываю­щую отдельные каскады или часть усилителя. ОбщаяОС охваты­вает весь усилитель.

Упрощенная структурная схема усилителя, с обратной связью показана на рис.1.14. Усилитель имеет в направлении, указан­ном стрелкой, коэффициент усиления . Другим прямо угольником обозначена цепь ОС, имеющая коэффициент передачи , где — напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. Коэффициент показывает, какая часть вы­ходного напряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно , поэтому вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырёхполюсник. Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи цепи ОС в общем случае являются величинами комплексными, учитывающими возможный фазовый сдвиг на низких и высоких частотах за счет наличия в схемах реактивных элементов. При работе в диапазоне средних частот, если в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то параметры и являются вещественными величинами.

Рисунок 1.15 Способы получения сигнала обратной связи:

а – по напряжению; б – по току; в - комбинированный

Если напряжение совпадает по фазе с выходным на­пряжением , то в точке сравнения происходит сложе­ние сигналов и ОС называют положительной (ПОС). Если и противофазны (поворот фазы сигнала ), то в точке сравнения происходит их вычитание и ОС называют отрицательной (ООС).

По способу получения сигнала различают:

- обратную связь по напряжению (рис. 1.15, а), когда сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению ;

- ОС по току (рис. 1.15, б), когда сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи;

- комбинированную обратную связь (рис.2.6, в), когда сни­маемый сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.

Рисунок 1.16 Способы введения сигнала обратной связи на вход усилителя:

а – последовательный; б – параллельный; в - смешанный

По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обрат­ная связь бывает:

- последовательной (рис. 1.16, а) — напряжение ОС поступает последовательно с напряжением источника входного сигнала;

- параллельной (рис.1.16, б) — напряжение ОС поступает параллельно с напряжением источника входного сигнала;

- смешанной (рис.1.16,в).

Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току; если же оно стремится к нулю, то по напряжению.

Поскольку в усилителях обычно используются каскады ОЭ, ОК, ОИ, ОС, то можно просто определить вид ОС по способу подачи ее сигналов во входную цепь. Если сигнал обратной связи поступает на эмиттер (или исток) транзистора, то связь последовательная, а если на базу (или затвор), то параллельная. Для определе­ния вида обратной связи (ООС, ПОС) необходимо просмотреть прохождение полуволны входного сиг­нала во всех точках схемы усилителя.

Отрицательная обрат­ная связь позволяет улучшить некоторые парамет­ры усилителя, поэтому она нашла на практике преимущественное применение. Оценку влияния обратной связи на показатели уси­лителя рассмотрим на примере схемы с последовательной обрат­ной связью по напряжению (рис. 1.16, а).

19.Последовательная обратная связь по напряжению

На входе усилителя действует алгебраическая сумма напряже­ний входного сигнала и ОС

(2.10)

Напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью, равно

(2.11)

Разделив обе части уравнения (2.11) на , получим

(2.12)

Это соотношение, связывающее коэффициент усиления уси­лителя , охваченного обратной связью, и усилителя без об­ратной связи, является основным соотношением в теории усили­телей с обратной связью. Величина характеризует усиление и характер петли обратной связи. Величину называют глубиной обратной связи.

Поскольку в общем случае и , где и – фазовые сдвиги напряжения сигнала, вносимые соответст­венно усилителем и звеном обратной связи, выражение (2.12) можно записать в виде

(2.13)

При ; , т.е. если коэффициент обратной связи есть величина вещественная и отрицательная, получим

(2.14)

Таким образом, если сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе с входным сигналом, то коэффици­ент усиления усилителя уменьшается в раз. Такую обрат­ную связь называют отрицательной.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех из­менений коэффициента усиления , в том числе связанных с не­равномерностью частотной характеристики; расширяет полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких час­тот; уменьшает частотные искажения. ООС уменьшает возни­кающие в усилителе нелинейные искажения. Если при ООС , то говорят, что усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью

2.15)

В этом случае коэффициент усиления усилителя определя­ется только коэффициентом передачи цепи обратной связи и не зависит от собственного коэффициента усиления усилителя.

Если величина вещественная и положительная, то сигнал обратной связи совпадает по фазе с входным, усилитель ох­вачен положительной обратной связью. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в раз. При в усилителе возникают условия для самовозбуждения усилителя охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашёл применение в генераторах напряжения.

Сущность самовозбуждения заключается в следующем: лю­бой малый входной сигнал, вызванный наводками или колеба­ниями параметров активных элементов, усиливается и возвраща­ется обратно на вход усилителя. Суммируясь с входным сигналом, он вызывает появление большого входного сигнала. В реальных усилителях наступает ограничение выходного сигна­ла, появляются незатухающие колебания.

Положительная обратная связь, увеличивающая коэффици­ент усиления, в электронных усилителях практически не приме­няется, так как при этом стабильность его усиления значительно ухудшается.

Для качественной оценки действия цепи обратной связи оп­ределим стабильность коэффициента усиления усилителя с об­ратной связью. Для этой цепи продифференцируем выражение (2.15)

(2.15)

тогда относительное изменение коэффициента усиления усилите­ля с отрицательной обратной связью определяется, как

(2.16)

Отсюда следует, что относительное изменение коэффициен­та усиления усилителя с отрицательной обратной связью в раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффици­ента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.

Рисунок 1.17 Амплитудно-частотная характеристика

усилителя с обратной и без обратной связи

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отри­цательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления изменяется на­пряжение обратной связи , приводящее к измене­нию входного напряжения усилителя, препятствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала, при этом полоса пропускания усилителя расширяется.

Рассмотрим влияние последовательной обратной связи на входное и выходное сопротивления в диапазоне средних частот. Входное сопротивление усилителя с обратной связью определяет­ся как

Используя соотношение , получим

т.е. входное сопротивление каскада при последовательной обрат­ной связи по напряжению возрастает в раз, а положи­тельная обратная связь уменьшает его в раз.

Найдём выходное сопротивление усилителя по значению выходного тока , протекающего под действием приложенного напряжения , при замкнутом генераторе на входе :

Выходной ток определяется выражением

(2.17)

при этом

(2.18)

Подставив выражение (2.18) в (2.17), получим

(2.19)

(2.20)

Из выражения (2.20) видно, что выходное сопротивление усилителя, охваченного ООС, уменьшается. Увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений усилителя с ООС — очень ценные свойства для его оконечных каскадов: обеспечива­ется меньшая зависимость выходного напряжения усилителя при изменении сопротивления нагрузки, усилитель приближается посвоим параметрам к идеальному источнику напряжения

20. Последовательная обратная связь по току

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току приведена на рис. 1.18. Напряжение обратной связи снимается с резистора, включенного последовательно с нагрузкой , при протекании через резисторы выходного тока .

Коэффициент передачи для последовательной обратной свя­зи по току представляет собой проводимость или крутизну передачи. Однако удобнее анализировать схему с помощью коэффици­ента передачи напряжения:

(2.21)

Рисунок 1.18 Последовательная обратная связь по току

Для входной цепи справедливо выражение а коэффициент усиления определяется выражением

(2.22)

выражение (2.21) показывает, что последовательная об­ратная связь по току оказывает такое же влияние на коэффици­ент усиления и его нестабильность, как и последовательная об­ратная связь по напряжению.

Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью, равно

(2.23)

где ; — проводимость прямой передачи усилителя с обратной связью, которая меньше нуля для отрицатель­ной обратной связи по току.

Поэтому входное сопротивление усилителя, охваченного от­рицательной обратной связью по току, увеличивается в раз, а положительнаяОС уменьшает его в раз.

Выходное сопротивление усилителя, охваченного последова­тельной обратной связью по току, определяется при подаче пере­менного напряжения на выход усилителя при коротком за­мыкании генератора ( ):

(2.24)

где

Данный тип обратной связи применяется тогда, когда необ­ходимо иметь очень большое выходное сопротивление усилителя. В этом случае усилитель эквивалентен генератору тока, и выход­ной ток не зависит от сопротивления нагрузки.

Независимо от вида отрицательная обратная связь умень­шает сигнал на входе, что вызывает:

1. уменьшение коэффициента усиления;

2. повышение стабильности коэффициента усиления усили­теля при изменении параметров транзисторов;

3. уменьшение уровня нелинейных искажений;

4. расширение полосы пропускания. Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротив­ление. Последовательная обратная связь по напряжению умень­шает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеально­му источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выход­ной ток усилителя.

21. Параллельная отрицательная обратная связь.

Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.

Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усили­телях нежелательна, однако в них могут самопроизвольно возни­кать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие их работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:

- между каскадами через цепи питания;

- емкостная (электростатическая), обусловленная паразитны­ми емкостями между выходом и входом усилителя;

- магнитная, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

При наличии в усилителе даже слабой положительной свя­зи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелиней­ные искажения. При сильной паразитной связи ( ) усили­тель самовозбуждается, т.е. в нём возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные кас­кады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это пе­ременное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RC-фильтры, В некоторых случаях первые каскады усилителя тоже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают ёмкость и вза­имная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются эк­ранированием первых каскадов, рациональным монтажом и тре­буют большого практического опыта.