Лабораторная работа №11

Исследование влияния обратной связи на параметры усилителя

В различных радиоэлектронных устройствах широко применяется обратная связь (ОС). Она осуществляется подачей части напряжения или тока с выхода устройства на его вход.

Обратная связь применяется, например, в автогенераторах, генерирующих высоко- или низкочастотные колебания; очень широко ее используют в усилителях.

Если в автогенераторах применяется положительная обратная связь, поддерживающая колебания, то в усилителях обычно применяется отрицательная обратная связь, позволяющая уменьшить нелинейные искажения и нестабильность усиления, а также изменить в желательную сторону входное и выходное сопротивления.

1. Влияние ОС на коэффициент усиления.

Структурную схему усилителя с обратной связью (рис. 1) можно представить в следующем виде:

Рис.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

Усилитель имеет в направлении, показанном стрелкой, коэффициент передачи напряжения, равный

(1)

где (U_вых — напряжение на выходе усилителя; U_вх — напряжение на его входе.

Цепь обратной связи служит для передачи напряжения обратной связи. Его коэффициент передачи в направлении, указанном стрелкой,

(2)

где U_ос — напряжение обратной связи, передаваемое с выхода усилителя на его вход. Это напряжение является частью выходного напряжения. В зависимости от разности фаз внешнего сигнала и сигнала на выходе цепи ОС, фаза которого по отношению к внешнему сигналу может изменяться при прохождении по петле ОС, коэффициент β принимает различный знак. Так при разности фаз, равной 0° (ПОС – положительная обратная связь) он принимает положительный знак и изменяет свое значение от 0 до +1, а при разности фаз, равной 180° (ООС – отрицательная обратная связь), знак его отрицательный и значение изменяется от 0 до —1. Коэффициент  показывает, какая часть выходного напряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно 1, поэтому он обычно является пассивным линейным четырехполюсником.

Напряжение обратной связи равно:

(3)

Иначе говоря, выходное напряжение, измененное в β раз, возвращается обратно на вход каскада.

На входе усилительного каскада суммируются напряжение от внешнего источника и напряжения ОС, принимая во внимание (3), получаем:

(4)

Активный элемент (АЭ) усилителя усиливает сигнал на его входе, т.е. выходное напряжение равно:

U_вых=KU_вх (5)

По отношению к сигналу от внешнего источника коэффициент усиления окажется равным:

(6)

Тогда в окончательном виде выражение для коэффициента усиления каскада с ОС:

(7)

Знак при произведении βК, называемом коэффициентом петлевого усиления, совпадает со знаком, соответствующим положительной или отрицательной ОС. Поэтому выражение (6) перепишем в виде для ПОС

(8)

для ООС

(9)

Выражения (8) и (9) определяют изменение усиления от введения ОС и зависимость свойств усилителя от параметров цепи ОС. Они являются основными для расчета усилителей с любым видом ОС (в зависимости от способа введе­ния и снятия ОС изменяется только формула определения коэффициента ОС). Знаменатель выражения (9) F = 1+βК показывает, на сколько изменяется сквозной коэффициент усиления каскада при введении ОС и называется глубиной ОС. От его абсолютного значения, как это будет показано далее, существенно зависят все основные параметры усилителя, изменяясь пропорционально ему. При расчетах обычно задаются первоначальным значением F от 2 до 4. При F < 2 ОС сравнительно мало влияет на свойства усилителя, а при F > 4 значительно уменьшается первоначальный коэффициент усиления.

При βК=1 коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью, обращается в бесконечность. Фактически это означает, что на выходе усилителя имеется напряжение при отсутствии напряжения U_вх приложенного извне, т. е. усилитель самовозбуждается и превращается в генератор.