5.4 Обратная связь в усилителях

Обратной связью (ОС) называют такую связь между цепями усилителя, при которой энергия сигнала передается в направле­нии, обратном направлению ее возрастания в усилителе, т. е. от последующих цепей усилителя в предшествующие цепи. Обратная связь оказывает влияние на все технические показатели усилите­лей.

Если обратная связь (ОС) возникает самопроизвольно, то она бесконтрольно может изменить технические показатели усилителя, обычно зна­чительно ухудшая их. Подобная обратная связь возникает в электронных усилителях по двум причинам: 1) в силу физических особеннос­тей УЭ и 2) за счет непредусмотренных индуктивных, емкостных и прочих связей между цепями усилителя. В первом случае ОС называют внутренней, а во втором – паразитной. При проектиро­вании и конструировании усилителей обязательно приходится при­нимать меры для ослабления или ликвидации внутренних и пара­зитных ОС.

Для целенаправленного изменения и получения заданных тех­нических показателей в усилитель вводят специальные, внешние по отношению к усилителю цепи, создающие ОС. Подобную обратную связь называют внешней.

Функциональная простейшая схема усилителя с внешней обратной связью – на рис. 5.9.

Рис.5.9 – Однопетлевая обратная связь

Точка 2 соответствует выходу усилителя без ОС, а точка 1– входу усилителя без ОС. Усили­тель с коэффициентом усиленияобразует между точками А  В цепь, охваченную ОС.

Цепь В  А, по которой энергия сигнала по­дается из выходной цепи (точка 2) во входную цепь (точка /) усилителя, называется цепью ОС, причем – комплексный коэф­фициент передачи по напряжению цепи ОС.

Цепь ОС В  А совместно с цепью усилителя А  В, которую она охватывает, образует замкнутый контур (А-1-К-В--А), на­зываемый петлей ОС. Произведение в усилительной технике обычно называютпетлевым усилением, и Т = –коэффициент петлевого усиления. Соответственно –сквозное петлевое усиление, и Т^* = –сквозной коэффициент усиления вдоль всей петли ОС. При количественной оценке влияния ОС на уси­литель петлю ОС можно рассматривать или как замкнутую (при анализе влияния на технические показатели усилителя – [1, § 3.1…3.4]), или как разомкнутую (при анализе устойчивости усилителя с ОС [1, §3.5]). Поскольку в обоих случаях значение Т* должно быть одинаковым, то размыкание петли ОС означает не исключе­ние цепи ОС, а именно ее размыкание [1, § 3.5].

Следует отметить, что ОС изменяет технические показатели только той части усилителя, которая охватывается петлей ОС. Различают одно- (см. рис. 5.9) и многопетлевую ОС. В усилителе с многопетлевой ОС обратную связь, охватывающую лишь один каскад усилителя, называют местной, а охватывающую несколько каскадов — общей.

5.4.1 Вид обратной связи в основном определяется: спо­собами снятия и введения энергии сигнала; знаком петлевого уси­ления Т, когда оно действительно; зависимостью  от частоты.

По способу снятия энергии сигнала различают следующие ви­ды ОС: по напряжению; по току; смешанную – по току и напря­жению. Фрагмент структурной схемы усилителя, поясняющий способ снятия энергии сигнала при ОС по напряжению, – на рис. 5.11.

Рис.5.11 – Обратная связь по напряжению

В этом случае вход цепи ОС (клеммы 3—3) подклю­чается параллельно сопротивлению нагрузки ZН. Напряжение на входе цепи ОС равно или пропорционально напряжению на выходе усилителя.

Фрагмент структурной схемы усилителя, поясняющий способ снятия энергии сигнала при ОС по току, – на рис. 5.12.

Рис.5.12 – Обратная связь по току

В этом случае вход цепи ОС (клеммы 3—3) подключается после­довательно к сопротивлению нагрузки , например, с помощью сопротивления Roc. Напряжение на входе цепи ОС прямо пропорционально току через нагрузку.

Фрагмент структурной схемы усилителя со смешанной ОС – на рис. 5.13.

Рис.5.13 – Смешанная обратная связь

В этом случае имеют место оба указан­ных выше способа снятия энергии сигнала: за счет сопротивления R2 создается напряжение ОС по напряжению (U'oc), а за счет сопротивления RОС создается напряжение ОС по току (U'oc).

На­пряжение на входе цепи ОС Uoc = U'oc + Uoc пропорционально как выходному напряжению, так и току через нагрузку.

Для определения способа снятия энергии сигнала по струк­турной или принципиальной схеме усилителя следует четко выделить сопротивление Z_Н, вход (клеммы 3—3) и выход (клеммы 4—4) цепи ОС и мысленно провести по отношению к Z_Н опыты х.х. и к.з., проверяя в каждом опыте, сохраняется ли напряжение Uoc на выходе цепи ОС (клемы 4—4). Возможные результаты подобных опытов – в таблице 5.1.

Таблица 5.1 Определение обратной связи

Вид	Наличие обратной связи
опыта	по напряжению	по току	смешанная
Холостой ход – обрыв	Есть	Нет	Есть
Короткое замыкание	Нет	Есть	Есть

По способу введения энергии сигнала различают следующие виды ОС: последовательную, параллельную, комбинированную (последовательно-параллельную). Фрагмент структурной схемы усилителя, поясняющей способ введения энергии сигнала при по­следовательной ОС, – на рис. 5.14.

Рис.5.14 – Последовательная ОС

На этом рисунке клем­мы 1—1 – вход усилителя без ОС, между которыми действует входное напряжение . Клеммы 3—3 вход цепи ОС, между которыми дей­ствует напряжение ОС. Клеммы 4—4 – выход цепи ОС с напряжением .

Клеммы 5—5 – вход усилителя с ОС, к ним подключается источник сиг­нала и между ними действует напряжение . Согласно рис. 5.14 при последовательной ОС выходная цепь ОС относительно входной цепи усилителя без ОС включена последовательно с цепью ЭДС источника сигнала. При этом напряжение U_ОС действует последо­вательно с Е_Г г относительно входных клемм 1—1 усилителя без ОС.

Фрагмент структурной схемы усилителя, поясняющей способ введения энергии сигнала при параллельной ОС, – на рис.5.15.

Рис.5.15 – Параллельная обратная связь

Здесь выход цепи ОС (клеммы 4—4) подключен относитель­но входной цепи усилителя (клеммы 1—1) параллельно с цепью ЭДС источника сигнала (клеммы 5—5).

Фрагмент структурной схемы усилителя с комбинированной ОС – на рис. 5.16.

Рис.5.16 – Комбинированная обратная связь

Здесь UОС = UОС1 + UОС2, причем UОС1 действует относительно клемм 1—1 последовательно с ЕГ, a UОС2 – параллельно с ЕГ.

Для определения способа введения энергии сигнала по струк­турной или принципиальной схеме усилителя следует мысленно провести опыты х.х. и к.з. по отношению к ЭДС источника сигна­ла и проследить, будет ли действовать между клеммами 1—1 усилителя напряжение Uoc (см. рис. 5.14—5.16). При этом допус­каем, что в обоих опытах имеется напряжение Uoc на выходе це­пи ОС между клеммами 4—4. Возможные результаты этих опытов – в табл. 5.5.

Таблица 5.5 Определение обратной связи

Вид	Обратная связь
опыта	последовательная	параллельная	комбинированная
Холостой ход – обрыв источника сигнала	Нет	Есть	Есть
Короткое замыкание – источник закорочен	Есть	Нет	Есть

По способу снятия энергии сигнала с выхода и введения на вход усилителя может быть девять видов обратной связи, четыре из них встречаются особенно часто: последовательная ОС по напряжению, последовательная ОС по току, параллельна ОС по напряжению и параллельная ОС по току.

По знаку действительного значения петлевого (Т =   К) или сквозного петлевого (Т'* = К*) усиления различают два особенно важных вида ОС — положительную и отрицательную. Если петлевое усиление – величина действительная и положительная, то обратную связь называют положительной (ПОС). Этот вид ОС используется в усилителях сравнительно редко. Если петлевое усиление – величина действительная и отрицательная, связь между выходом и входом усилителя называют отрицательной. Отрицательная ОС находит широкое применение в усилителях.

Наконец, если  в рабочем диапазоне частот усилителя не за висит от частоты, то обратную связь называют частотно-независимой. Если  – функция частоты, то такую ОС называют частотно-зависимой. В усилителях используются оба вида обратной связи.

164