Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 16 Линеаризирующее влияние ОС на СПХ и ход АЧХ
.doc16 Линеаризирующее воздействие отрицательной обратной связи на сквозную передаточную характеристику и ход амплитудно-частотной характеристики
В реальных усилительных трактах сквозная передаточная характеристика нелинейная (рисунок 1а), ее график имеет различный наклон при различных значения входного Uвх или выходного напряжения Uвых. В результате коэффициент усиления малых сигнальных приращений К' = Uвых / Uвх зависит от текущего значения входного Uвх или выходного напряжения Uвых (рисунок 1б), при этом сам дифференциальный коэффициент передачи K' рассматривается как функция текущего значения сигнала на входе или выходе. Следует отметить, что в идеальном по линейным свойствам усилительном тракте в качестве графика зависимости K'(Uвх) выступает прямая линия, параллельная оси Uвх.
Рисунок 1. СПХ и дифференциальный коэффициент усиления
Часто при рассмотрении нелинейных свойств трактов в качестве аргумента выступает не входное, а выходное напряжение Uвых. Такой подход дает более полное представление о степени проявления нелинейных свойств усилительного тракта и предельно достижимых сигнальных уровнях. На рисунке 2 приведен пример такой зависимости.
Охват усилительного тракта петлей ООС хотя и приводит к снижению усилительных свойств тракта, но обеспечивает большее постоянство этого усиления при изменениях уровня сигнала Uвых. Обусловлено это тем, что в нелинейном тракте с ООС, значение петлевой передачи Т ' и, соответственно, глубины обратной связи F ' при изменениях Uвых непостоянно. Относительные уменьшения = К '/ К ' F (здесь 1) коэффициента усиления, вызванные введением в усилительный тракт ООС, оказываются различными для различных областей СПХ (для различных значений выходного напряжения Uвых). Параметр (Uвых) и, соответственно, глубина обратной F '(Uвых) имеет большие значения для тех областей СПХ, в которых К '(Uвых) больше, и меньшие – где К '(Uвых) меньше. В результате значения коэффициента усиления К 'F(Uвых) в нелинейном тракте с ООС при различных значениях выходного напряжения Uвых определяется соотношением
Рисунок 2 Использование в качестве аргумента выходного сигнала
К 'F(Uвых) = К '(Uвых) / F '(Uвых) = К '(Uвых) / [1 + Т '(Uвых)] =
= К '(Uвых) / [1 + (Uвых) Т0')],
где; (Uвых) = К0'/ К 'F(Uвых); Т0', К0' – значение петлевой передачи и коэффициента передачи в ИРТ; Uвых = Uвх К(Uвых).
На рисунке 3 приведены графики СПХ, иллюстрирующие влияние ООС на ход СПХ. Один из приведенных на этом рисунке графиков (график 1) соответствует случаю, когда усилитель не охвачен петлей ОС (Т/0 = 0), другой (график 2) – когда он охвачен ООС с исходным значением петлевой передачи Т/0 = 2 (при Uвых = 0). Сравнительный анализ хода этих графиков показывает, что введение в нелинейный тракт отрицательной обратной связи вызывает линеаризацию хода его СПХ. Это линеаризирующее воздействие наибольшее на тех участках СПХ, на которых коэффициент усиления К '(Uвых) имеет повышенные значения. В областях же значений напряжений Uвых, где К '(Uвых) имеет пренебрежимо малые значения, ООС на ход СПХ влияния не оказывает. Последнее в первую очередь относится к области больших значений напряжения Uвых, где транзистор находится в режиме насыщения или отсечки. Вследствие этого путем введения в тракт ООС практически не возможно увеличить предельно достижимое значение размаха выходного сигнала.
Рисунок 3. Линеаризирующее влияние ООС на СПХ
Благодаря рассмотренному линеаризирующему воздействию ООС на ход СПХ коэффициент гармоник в усилителе, охваченном петлей ООС, меньше коэффициента гармоник в том же усилителе без ООС примерно в F раз. Следует подчеркнуть, что условием этой оценки степени влияния ООС на коэффициент гармоник является одинаковость значений выходного напряжения Uвых, а не входного Uвх. Попытка выполнить указанное сравнение при неизменном входном сигнале Uвх дает завышенный результат, так как введения в тракт ООС при данном входном сигнале не только линеаризирует СПХ, но и снижает уровень напряжения Uвых, что вызывает дополнительное уменьшение искажений.
Влияние обратной связи на ход амплитудно-частотной характеристики
Особенностью настоящего рассмотрения влияния обратной связи на ход амплитудно-частотной характеристики является то, что характер обратной связи в различных участках частотного диапазона может иметь как положительный, так и отрицательный характер. Обусловлено это тем, что при прохождении сигнала по петле ОС в сигнале возникают дополнительные фазовые набеги, приводящие к тому, что в одной и той же схеме обратная связь на различных участках частотного диапазона ОС может выступать в роли ПОС или ООС. В связи с этим, целесообразно при классификации схем с ОС характеризовать их в соответствии с тем, какой характер ОС имеет в основной частотной области, указывая, например, что такая-то схема организована как схема с ООС или как схема с ПОС.
Рассмотрим механизм влияния на ход АЧХ ОС, организованной как ООС. Обратная связь этого вида уменьшает частотную зависимость коэффициента усиления. Указанное стабилизирующее воздействие ОС обусловлено двумя факторами. Это, с одной стороны, – непостоянством в частотной области модуля глубины ОС F, который имеет меньшие значения на частотах, где исходный коэффициент усиления занижен, а с другой, – тем, что в районе граничных частот полосы пропускания в петле ОС наблюдаются существенные фазовые набеги , приводящие к переходу ООС в ПОС.
На рисунке 4а приведена амплитудно-частотная характеристика усилительного тракта, соответствующая отсутствию в нем обратной связи и его охвату петлей обратной связи с некоторым значением глубины F0. На рисунке 4б приведена частотная зависимость нормированного коэффициента усиления для тех же двух случаев.
Рисунок 4. Влияние ООС на ход АЧХ
Из рисунка видно, что введение ООС позволяет расширить область равномерно усиливаемых частот, но за счет снижения коэффициента передачи.