2.5. Блок питания

Блок питания (рис. 10) предназначен для питания электронных ДУ и ИУ устройств, регулируемых ограничителей и ФЧВ. Состоит из трансформатора Т3, диодов V7-V10 типа Д237В (диодный мост), ограничительного (балластного) резистора и R44 и стабилитронов V1- V4 типа Д814В (U_ст = 10 В). Полярный конденсатор С24 большой емкости играет роль фильтра для стабилизированного напряжения U_вых.

а) б)

Рис. 10. Диодная мостовая схема (а) и блок питания (б)

Для термокомпенсации изменения напряжения стабилизации из-за изменения температуры может применяться диод, включаемый встречно к стабилитронам.

3. Усилители с обратной связью

3.1. Общие сведения

Обратной связью (ОС) называется передача части или целого выходного сигнала усилителя на его вход с помощью какой-либо цепи.

Рис. 1.11. Структурная схема усилителя с ОС (а), схемы последовательные ОС по напряжению (б) и току (в)

Структурная схема усилителя с обратной связью показана на рис. 11. В данном случае, цепь обратной связи (петля, звено обратной связи), ограниченная на рис. 11 штриховыми линиями, представляет собой пассивный четырехполюсник. Этот четырехполюсник характеризуется коэффициентом передачи ẁ (коэффициент обратной связи), показывающий, какая часть напряжения (тока) с выхода схемы через цепь обратной связи поступает на вход устройства.

Например, напряжение обратной связи, являющееся частью выходного напряжения, может находиться либо в фазе, либо иметь сдвиг фаз (вплоть до противофазы) по отношению к входному сигналу.

Звено обратной связи характеризуется коэффициентом передачи ẁ, показывающим связь параметра (напряжения, тока) выходного сигнала этого звена с параметром (напряжением, током) выходной цепи усилителя.

Коэффициенты усиления усилителя Ќ и передачи цепи обратной связи ẁ, в общем, являются комплексными величинами. С их помощью можно учитывать возможной фазовый сдвиг, возникающий на низких и высоких частотах из-за наличия в схеме усилителя и в цепи ОС реактивных элементов. Если же анализируется работа усилителя в области средних частот, и в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то коэффициенты K и w выступают как действительные величины.

Различают четыре основных вида ОС: последовательная по напряжению; последовательная по току; параллельная по напряжению; параллельная по току.

Обратная связь по напряжению, реализуется посредством измерения выходного напряжения, и подачи некоторой его части на вход. Обратная связь по току реализуется посредством измерения выходного тока, и подачи некоторой его части на вход.

Последовательная обратная связь реализуется путем суммирования на входе усилителя напряжения входного сигнала и напряжения, пропорционального выходному напряжению или току (рис. 11, б, в).

Обратим внимание, как осуществляется последовательная ОС по напряжению (рис. 11, б). Напряжение с выхода U_вых (с сопротивления нагрузки) подается на вход цепь обратной связи U_вх.ос = U_вых, например, в звено делителя напряжения на Z₁ и Z₂, и с выхода этого звена часть выходного напряжения U_ос, суммируясь с входным напряжение U_вх генератора, поступает на вход анализируемого каскада. Другими словами, величина U_ос в данном случае зависит от свойств делителя напряжения на Z₁ и Z₂.

Последовательная обратная ОС по току реализуется иначе (рис. 11, в). В выходную цепь включается резистор связи с сопротивлением R_св, так что ток I_вых через нагрузку R_н и резистор связи R_св один и тот же. На резисторе R_св падает напряжение обратной связи U_ос, которое, так же как и в предыдущем случае, включается во входную цепь каскада последовательно с входным напряжение генератора. Другими словами, величина напряжения U_ос, поступающая на вход в данном случае зависит от тока I_вых в цепи нагрузки.

Параллельная обратная связь реализуется путем суммирования на входе усилителя тока входного сигнала и тока, пропорционального выходному напряжению или току.

Обратную связь называют положительной (ПОС), если результат ее воздействия приводит к увеличению сигнала на входе и, окончательно, на выходе. При ПОС фаза напряжения обратной связи, подаваемого на вход, совпадает с фазой напряжения источника сигнала.

Если результат воздействия (на усилитель) обратной связи приводит к уменьшению сигнала на входе и, соответственно, на выходе, то подобную обратную связь называют отрицательной (ООС). Эта связь характеризуется сдвигом фаз = 180^о между напряжениями выхода U_вых и входа U_вх. Оказывается, что отрицательная обратная связь позволяет улучшить некоторые показатели усилителя, и поэтому ООС нашла наибольшее применение.

Рассмотрим некоторые количественные соотношения, характеризующие любую обратную связь.

Если обратной связи в усилителе нет, то напряжение на выходе этого усилителя связано с напряжением на его входе соотношением:

U_вых = К_UU_вх, (10)

где К_U  коэффициент усиления по напряжения собственно усилителя.

При включении положительной обратной связи с коэффициентом передачи цепи ОС w имеем:

U_вых = К_U(U_вх + wU_вых) = К_UU_вх + К_U wU_вых;

U_вых(1  К_U w)/К_U = U_вх, (11)

или К_Uoc = U_вых/U_вх = К_U/(1  К_Uw).

Следовательно, коэффициент усиления схемы К_Uос на основе усилителя, охваченного положительной (ПОС) или отрицательной (ООС) обратной связью, в области средних частот можно определить по формуле

, (12)

где знак "–" соответствует ПОС, а знак "+" – ООС.

В электронике принята следующая терминология:

 К_U  коэффициент усиления при разомкнутой ОС;

 К_Uoc  коэффициент усиления схемы при замкнутой петле ОС;

 К_Uw  коэффициент передачи в петле ОС (петлевое усиления);

 (1  К_U w)  глубина ОС связи для дифференциального сигнала.

Оценка усиления при ПОС. Для примера рассмотрим следующие условия ПОС: К_U = 2; w = 0,1. Из соотношения (12) имеем: K_Uос = 2,5, т.е. коэффициент усиления K_Uос схемы на основе усилителя, охваченного ПОС, больше коэффициента усиления K_U самого усилителя.

Как показано ниже, именно положительная обратная связь может привести к самовозбуждению усилителя, когда за счет шумов на входе усилителя на его выходе появляется сигнал, включающий в себя широкий спектр частот и независимый от сигнала на входе; подобный режим возникает, если выполняется неравенство: |K_Uw|  1.

Свойство самовозбуждения при положительной обратной связи используется при построении генераторов различных сигналов.

Оценка усиления при ООС. Как видно из соотношения (12) относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в (1+ K_Uw) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без ОС.

Для примера рассчитаем параметры ООС при следующих условиях: К_U = 2; w = 0,1. Из соотношения (12) имеем: K_Uос = 1,66. Другими словами, коэффициент усиления схемы K_Uос на основе усилителя, охваченного ООС, меньше коэффициента усиления К_U собственно усилителя.

При большом коэффициенте усиления K_U усилителя и большой глубине обратной связи (1 + K_Uw) удается практически полностью исключить зависимость коэффициента усиления усилителя К_Uос от изменения его параметров. Другими словами, значение К_Uос практически не будет зависеть от K_U и возможных его (негативных, неконтролируемых) изменений. С учетом (12) для ООС при К_U >> 1 имеем:

К_Uос = К_U/(1 + К_Uw) = 1/(w+ 1/К_U). (13)

При этом величиной 1/К_U в знаменателе выражения (13) можно пренебречь, и коэффициент усиления схемы на основе усилителя с ООС будет определяться только коэффициентом передачи цепи обратной связи w:

K_Uос  1/w.

Например, при ООС с условием: К_U =1000; w = 0,1; 1/w = 10; имеем K_Uос = 1000/(1 + 100) = 9,9.

Можно сказать, что если коэффициент усиления К_U усилителя без обратной связи велик, то после включения ООС коэффициент усиления схемы (каскада, усилителя) K_Uос близок к величине, обратной коэффициенту передачи звена.

Отрицательная обратная связь приводит к стабилизации параметров усилителя, охваченного обратной связью.

С помощью отрицательных обратных связей, охватывающих отдельные каскады усилителя, решают задачу уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала, а также ослабления влияния помех в усилителе.

Обратная связь оказывает влияние на входное и выходное сопротивления усилителя. Результат этого влияния зависит от вида обратной связи. На входное сопротивление влияет способ подачи сигнала обратной связи на вход усилителя (параллельная или последовательная обратная связь). На выходное сопротивление влияет тип сигнала, снимаемого с выхода усилителя (напряжение или ток).

Анализ различных видов обратной связи позволяет сделать важные выводы:

 введение последовательной ООС в схему усилителя позволяет увеличить входное сопротивление усилителя в (1 + K_Uw) раз;

 введение параллельной ООС в схему уменьшает входное сопротивление усилителя в (1 + K_Uw) раз;

 отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в (1 + K_Uw) раз;

 отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя в (1 + K_Uw) раз.