Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 12 Структурная схема усилительного тракта с однопетлевой обратной связью

12 Структурная схема усилительного тракта с однопетлевой обратной связью

Одной из отличительных особенностей усилительных трактов среди электрических цепей является тот факт, что они обладают преимущественно однонаправленной передачей сигналов, т. е. такой, при которой коэффициент передачи сигнала с входа на выход существенно преобладает над коэффициентом передачи в обратном направлении – с выхода на вход. Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному, т. е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача, – цепью обратной связи.

Обратная связь может быть как специально организованной или возникающей помимо желания разработчика. В последнем случае ее называют паразитной. В зависимости от структуры усилительного тракта ОС может, как увеличивать коэффициент усиления по напряжению, так и уменьшать его. Обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления называется положительной обратной связью (ПОС.), а ту, которая понижает ее – отрицательной обратной связью (ООС). В усилительной технике в основном применяется ООС. При ее применении ценой некоторого снижения усилительных свойств повышается стабильность и определенность этих свойств, снижается уровень нелинейных и частотно-переходных искажений.

Структуру усилительного тракта, охваченного цепью обратной связи, можно представить в виде, показанном на рисунке 1. В состав этой структуры входят: основной усилительный тракт K_3.4, основное звено цепи обратной связи K_5.6 и два шестиполюсника I и II. В шестиполюснике II происходит ответвление части выходного сигнала в основное звено цепи обратной связи, а в шестиполюснике I – соединение (смешивание) входного сигнала с сигналом, поступающим с выхода основного звена цепи обратной связи. Считается, что шестиполюсники I, II и четырехполюсник К_5.6 являются пассивными цепями, т. е. цепями, организованными на базе R, С и L элементов. В структуре усилительного тракта с обратной связью образуется замкнутый (кольцевой) путь, называемый петлей обратной связи.

Степень влияния обратной связи на свойства усилительного тракта в первую очередь, зависит от коэффициента передачи T в этой петле, в том числе и от коэффициента передачи К_3.4 самого усилителя. Таким образом, эффективность воздействия обратной связи на характеристики усилительного тракта определяется не только свойствами цепи обратной связи, но и в равной степени – самого тракта, охватываемого цепью обратной связи. Коэффициент передачи в петле обратной связи называют петлевой передачей или возвратным отношением и обозначают символом T.

Рисунок 1. Структурная схема усилительного тракта с однопетлевой обратной связью

Степень относительных изменений параметров усилительного тракта, вызываемых введением в него обратной связи, в первую очередь, характеризуют параметром F = 1 ± T, называемым глубиной обратной связи. Знак "+" перед петлевой передачей T соответствует схемам, организованным как схемы с ООС, а знак "–" – как схемы с положительной обратной связью (ПОС). При этом отрицательной обратной связи соответствует F>1, а положительной обратной связи 0 <F <1. Признаком ООС является уменьшение передаточных свойств тракта (F > 1), а ПОС – увеличение (0 <F <1). При F < 0 в тракте с обратной связью возникают автоколебания и усилительный тракт становится автогенератором.

Следует отметить, что понятие «отрицательная обратная связь» «положительная обратная связь» имеют строгое однозначное толкование только в случае, когда параметр Т характеризуется вещественным числом, так как только в этом случае введение в тракт обратной связи не сопровождается появлением дополнительных фазовых набегов в проходящих через тракт сигналах. В широкополосных усилительных трактах приближенно можно считать, что вещественный характер параметра Т сохраняется во всем рабочем участке частотного диапазона, поэтому указанные понятия не теряют своей значимости в пределах этого частотного диапазона. За пределами этого диапазона прохождение сигнала по петле ОС сопровождается дополнительными фазовыми набегами, вследствие чего характер ОС может измениться, т. е. обратная связь, организованная как отрицательная, может вызвать на некоторых частотах увеличение коэффициента усиления, а организованная как положительная – его уменьшение.

В ряде случаев схема усилительного тракта с ОС организована таким образом, что основное звено К_5.6 обратной связи обладает частотно-зависимой передачей. Такая схема называется схемой с частотно-зависимой цепью обратной связью.

При рассмотрении свойств схем с ОС считают, что усилительный тракт К_3.4 является по характеру передачи сигналов однонаправленным. В реальных трактах принцип однонаправленности может нарушаться, например, из-за прохождения сигнала с выхода на вход через паразитную проходную емкость транзистора. Влияние такой ОС при необходимости можно учесть путем включения в состав пассивных I, II и К_5.6 звеньев дополнительной цепи, эквивалентной по своим передаточным свойствам внутренней ОС реального усилителя.

Часто построение шестиполюсников I и II таково, что цепи, идущие к их внешним зажимам, образуют внутри этих шестиполюсников параллельное (рисунок 2а) или последовательное (рисунок 2б) соединение. В соответствии с указанными разновидностями соединений различают обратные связи параллельного и последовательного вида. При этом в зависимости от структуры входного шестиполюсника различают обратную связь, последовательную по входу, и обратную связь, параллельную по входу. А в зависимости от структуры шестиполюсника II – обратную связь последовательную по выходу и обратную связь, параллельную по выходу. Последние две разновидности также часто называют обратной связью по току и по напряжению соответственно. Такие названия обусловлены тем, что при обратной связи, последовательной по выходу, сигнальное напряжение на входе основного звена K_5.6 обратной связи пропорционально протекающему через нагрузку Z_н току, а при параллельной по выходу – напряжению u_вых.

Рисунок 2. Частные случаи шестиполюсников I и II

В ряде случаев входящие в схему на рисунке 1 четырёхполюсники K_3.4 и K_5.6 являются четырёхполюсниками с общей стороной (с попарно объединёнными зажимами 3^/-4^/ и 5^/-6^/), т. е. выступают в роли трёхполюсников. Объединенные зажимы четырехполюсников обычно подсоединяются к точке нулевого потенциала (рисунок 3).

Рисунок 3. Частный случай 4-полюсников

Частным случаем схемы рисунка 3 является схема, в которой в качестве основного звена цепи обратной связи выступает двухполюсник Z_5.6 (рисунок 4а). Часто этот двухполюсник непосредственно подключен к входу и выходу усилителя, как показано на рисунке 4б. При этом образуется простейший вариант организации цепи обратной связи, соответствующий построению шестиполюсников I и II по параллельной схеме, т. е. обратной связи, параллельной по входу и выходу.

Рисунок 4. Схемы с 2-полюсником в цепи ОС

Принцип представления тракта с ОС, основанный на привлечении понятия «петлевая передача», является одним из самых эффективных, так как его применение не требует перед началом анализа свойств схемы с ОС осуществлять классификацию вида ОС. Часто структура цепи ОС такова, что трудно и даже невозможно причислить обратную связь к какому-либо виду, особенно в случаях, когда ОС соответствует комбинированному (параллельно-последовательному) построению звеньев I и II, а также когда петля ОС замкнута через дополнительный вход усилительного звена или тракта.