10.6. Обратная связь в усилителях

Обратной называется связь между цепями усилителя, посредством которой сигнал передается с выхода усилителя на его вход.

Все виды обратной связи сильно изменяют свойства усилительного устройства, поэтому они широко используются для направленного изменения его параметров.

Различают общую обратную связь (если цепь обратной связи охватывает весь усилитель) и местную обратную связь (если обратная связь охватывает только часть усилителя).

Различают положительную (ПОС) и отрицательную (ООС) обратные связи. В общем случае если сигнал ОС действует согласно с входным, т.е. усиливает действие входного сигнала, то имеет место ПОС, если ослабляет – ООС. Если мы рассматриваем усиление sin-сигнала (общепринятый тестовый сигнал для усилителей) то ОС будет положительной если фаза входного сигнала усилителя и сигнала обратной связи совпадают (или, по крайней мере, фазовый сдвиг между + 90° и – 90° (соотв. отрицательной, если между 90° и 270°).

О пределение коэффициента передачи звена, охваченного ОС, изучается в ТАУ. Напомним обобщен­ную структурную схему звена с ОС:

Легко вывести:



где минус соответствует ПОС, плюс соответствует ООС.

Видно, что введение в усилитель ПОС увеличивает коэффициент усиления. Если β достигает значения 1/К, то знаменатель обращается в нуль, что физически соответствует получению бесконечного коэффициента усиления. При дальнейшем увеличении β К_ОС становится отрицательным, что означает получение на передаточной характеристике усилителя участка с отрицательным наклоном. Передаточная характеристика при этом перестает быть однозначной.

Введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя.

Отметим, что ПОС в усилителях, как правило, не применяется (в редких случаях и очень дозированно), а применяется в основном в генераторах электрических сигналов и некоторых ключевых схемах для обеспечения максимально быстрого переключения.

По способу получения сигнала ОС принято различать ОС по напряжению и току. Сигнал ОС по напряжению должен быть пропорционален выходному напряжению усилителя. Для получения ОС по току сигнал ОС снимают с дополнительного измерительного элемента (датчика тока), включенного последовательно с нагрузкой.

По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя можно выделить последовательную и параллельную ОС.

Для получения последовательной ОС сигнал с выхода усилителя вводится последовательно с источником входного напряжения. В этом случае на входе усилителя выполняется алгебраическое суммирование напряжений.

Для получения параллельной ОС сигнал с выхода усилителя вводится параллельно источнику входного напряжения. В этом случае на входе усилителя происходит алгебраическое суммирование токов.

В соответствии со сказанным, можно выделить четыре основные типа цепей ОС (рис. 10.15):

• последовательная ОС по выходному напряжению;

• последовательная ОС по выходному току;

• параллельная ОС по выходному напряжению;

• параллельная ОС по выходному току.

Каждый из этих типов может осуществлять как ПОС, так и ООС.

В общем случае значение коэффициента передачи цепи ОС может как зависеть, так и не зависеть от частоты сигнала. В соответствии с этим различают частотнозависимую и частотнонезависимую ОС. Применение частотнозависимых цепей ОС позволяет изменять свойства усилительного устройства только в требуемом диапазоне частот.

Все перечисленные особенности раскрывают широкие возмож­ности использования цепей обратной связи для направленного из­менения свойств усилительного устройства.

Влияние ОС на основные характеристики усилителя

Как уже отмечалось, введение обратной связи сильно изменяет основные характеристики усилителей. Рассмотрим более подробно это влияние.

Стабильность коэффициента усиления

Ранее было показано, что введение ООС приводит к снижению коэффициента усиления, а введение ПОС – к его увеличению. Теперь рассмотрим, как зависит изменение коэффициента усиления от наличия ООС. В реальных усилительных устройствах коэффициент усиления сильно зависит как от параметров используемых элементов, так и от условий эксплуатации: изменения температуры окружающей среды, изменения напряжения питания, старения элементов или их замены при ремонте и т. п.

Пусть

Тогда

Отсюда видно, что при Кβ >> 1

Таким образом, при выполнении условия Кβ >> 1 нестабильность коэффициента передачи усили­теля полностью определяется нестабильностью элементов его цепи ООС, которая м/б сделана весьма малой (чаще всего в цепи ООС нет ППП, резисторы и конденсаторы более термостабильны, чем ППП, β не зависит от напряжения питания).

Полоса усиливаемых частот

Введение цепи ООС всегда расширяет полосу усиливаемых частот усилителя. Проиллюстрируем сказанное на примере усилителя, передаточная характеристика которого имеет вид

Охватим такой усилитель частотнонезависимой цепью ООС с коэффициентом передачи β. Тогда передаточная функция усилителя с ООС будет иметь вид

В идно, что и коэффициент усиления, и постоянная времени уменьшились в 1 + К₁β раз (при этом во столько н раз увеличилась ширина полосы пропускания). Графически это наглядно видно по ЛАЧХ усилителя (рис. 10.16).

Если в рассматриваемом примере ООС заменить на ПОС, полоса пропускания уменьшится.

Нелинейные искажения и помехи

Введение в усилительное устройство цепи ООС снижает как коэффициент нелинейных искажений усилителя, так и влияние на его выходной сигнал внешних помех.

Проиллюстрируем сказанное.

И нелинейные искажения, и помехи, пришедшие не со входа – все то, что появилось после сумматора ОС (рис. 10.17) можно представить в виде эквивалентной ЭДС е_п, складывающейся с выходным сигналом.

Запишем уравнение структуры:

(U_вх – βU_вых)∙К + е_п = U_вых

Отсюда

Таким образом, сигнал усиливается в К раз сильнее, чем помеха. Обычно Кβ >> 1, в этом случае помеха эффективно ослабляется.

Входное сопротивление

Изменение входного сопротивления усилителя, охваченного цепью ОС, зависит от способа ее введения во входную цепь устройства. Ранее было показано, что по способу введения ОС подразделяется на последовательную и параллельную. Рассмотрим изменение R_вх усилителя в обоих случаях.

П оследовательная ООС (рис. 10.18, а).

Т. обр., введение в усилитель последовательной ООС увеличивает его входное сопротивление.

Схема для анализа влияния параллельной ООС показана на рис. 10.18, б. Анализ дает:

С ледовательно, введение цепи параллельной ООС уменьшает входное сопротивление усилительного устройства.

Выходное сопротивление усилительного устройства, охваченного цепью ОС, зависит только от способа снятия сигнала обратной связи и не зависит от того, каким образом этот сигнал введен в его входную цепь. Рассмотрим структурные схемы (рис. 10.19) усилительного устройства с цепью ООС по выходному напряжению (а) и по выходному току (б).

Выходное сопротивление определяется, как учили в ТОЭ, из опытов ХХ и КЗ. Схемы для анализа в случае ООС по напряжению и току приведены на рис.

А нализ дает: для случая цепи ООС по напряжению (рис. 10.19. а)

Из найденного выражения следует, что введение в усилительное устройство ООС по выходному напряжению уменьшает его выходное сопротивление.

Этот же вывод легко сделать из рассмотрения самого принципа ООС. Любая ООС стремится поддержать неизменным значение того параметра, который используется для получения сигнала ОС. Поэтому ООС по выходному напряжению при действии внешних возмущений, в частности изменении выходного тока, стремится поддержать неизменным значение выходного напряжения усилителя. Это эквивалентно уменьшению его выходного сопротивления.

В случае ООС по выходному току (рис. 10.19, б)

Таким образом, введение цепи ООС по выходному току увеличи­вает выходное сопротивление усилителя.

Здесь также возможно качественное рассуждение. ООС по току стремится поддержать ток неизменным при различных возмущениях, в частности, при изменениях Z_н. Таким образом, усилительное устройство приближается по свойствам к источнику тока, имеющему большое (в идеале – бесконечное ) выходное сопротивление.

Все изложенное относительно ОС показывает, что введением различных цепей ОС можно в значительной мере изменять свойства усилительного устройства (и вообще любого устройства преобразования сигналов), что открывает широкие возможности для создания устройств с заданными характеристиками.

Устойчивость усилителя

Устойчивость является обязательным условием функциониро­вания любого усилителя. В физическом понимании свойство устойчивости означает, что конечные изменения входного сигнала или действие небольших (в оговоренных пределах) внешних возмущений или изменений параметров усилителя не приводят к значительным, неограниченным отклонениям выходного сигнала. При нарушении устойчивости усилитель либо входит в режим насыщения и не реагирует на входной сигнал, либо входит в режим автоколебаний: на выходе появляются периодические колебания большой амплитуды.

Особенно остро стоит проблема устойчивости усилителей с большим коэффициентом усиления, так как при этом паразитные ОС (через емкости и индуктивности монтажа, через ненулевое сопротивление источника питания) могут проявиться как ПОС и могут вызвать самовозбуждение усилителя.

Устойчивость динамических систем и влияние на нее ОС – предмет ТАУ. Там изучаются как способы оценки устойчивости, так и различные способы коррекции для обеспечения устойчивости.