Модуль 1. Схемотехника элементов аналоговых электронных устройств

Лекция 3

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

Время проведения – 4 часа

Учебные вопросы:

1. Классификация видов обратной связи. Влияние обратной связи

на характеристики усилителей.

2. Способы осуществления обратной связи.

3. Устойчивость усилителей с обратной связью.

1. Классификация видов обратной связи. Влияние обратной связи на характеристики усилителей

Одной из особенностей усилительных устройств (УУ) среди электронных цепей является то, что они обладают преимущественно однонаправленной передачей энергии сигналов, т.е. такой, при которой прохождение энергии сигнала со входа на выход существенно преобладает над ему обратным – с выхода на вход. Процесс передачи части (или всей) энергии сигнала в УУ в направлении, обратном основному, т.е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача – цепью ОС. ОС может быть специально организованной или возникшей помимо желания разработчика. В последнем случае ее называют паразитной.

В зависимости от структуры УУ ОС может как увеличивать коэффициент усиления УУ по напряжению, так и уменьшать его. ОС, увеличивающую коэффициент передачи по напряжению, принято называть положительной обратной связью (ПОС), а ту, которая понижает его – отрицательной обратной связью (ООС).

В усилительной технике в основном применяют ООС. При ее применении ценой некоторого ухудшения усилительных свойств повышаются стабильность и определенность этих свойств, снижается уровень нелинейных, частотных и переходных искажений.

Сниматься сигнал ОС может с выхода всего устройства или с какого-либо промежуточного каскада. ОС, охватывающую один каскад, принято называть местной, а охватывающую несколько каскадов или весь многокаскадный УУ – общей.

Структурная схема УУ с ОС приведена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1

Обычно коэффициент усиления УУ и коэффициент передачи цепи ОСносят комплексный характер, что указывает на возможность фазового сдвига в областях НЧ и ВЧ за счет наличия реактивных элементов как в самом УУ, так и в цепи ОС.

Коэффициент передачи цепи ОС равен:

.

Степень изменения КУ усилителя, вызываемого действием ОС, определяется параметром, называемым глубиной обратной связи:

.

Обычно эту величину глубины ОС выражают в децибелах.

Коэффициент передачи УУ с ОС равен

.

Если – ОС носит положительный характер (ПОС), если – ОС отрицательная (ООС), в последнем случае , и соответственно:

.

Нетрудно увидеть, что в случае ПОС фазы входного сигнала и сигнала ОС совпадают и амплитуды складываются, что приводит к увеличению КУ, в случае же ООС несовпадение фаз входного сигнала и сигнала ОС приводит к их вычитанию, и, следовательно, к уменьшению КУ.

ПОС находит применение в генераторах, а иногда и в частотно-избирательных усилителях, в большинстве усилителей ПОС является паразитной.

Основное применение в УУ находит ООС. Она позволяет повысить стабильность работы усилителей, а также улучшить другие важные параметры и характеристики. В дальнейшем основное внимание будет уделено именно ООС.

Сразу следует подчеркнуть, что снижение КУ в современных УУ за счет ООС не является сегодня уж очень значительным фактором, т.к. широко используемые микроэлектронные структуры с большими собственными КУ позволяют иметь значительный по величине КУ.

ООС классифицируется в зависимости от способов подачи сигналов ООС во входную цепь усилителя и снятия их с выхода усилителя.

Если во входной цепи вычитается ток ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной ООС (т.к. выход цепи ООС подключен параллельно входу усилителя).

Если во входной цепи вычитаются напряжения входного сигнала и сигнала ОС, то такую ООС называют последовательной ООС (т.к. выход цепи ООС подключен последовательно входу усилителя).

По способу снятия сигнала ОС различают ООС по напряжению, когда сигнал ООС пропорционален выходному напряжению усилителя (вход цепи ООС подключен параллельно нагрузке усилителя), и ООС по току, когда сигнал ООС пропорционален току через нагрузку (вход цепи ООС подключен последовательно с нагрузкой усилителя).

Таким образом, следует выделить четыре основных варианта цепей ОС:

• последовательная по току;

• последовательная по напряжению;

• параллельная по напряжению;

• параллельная по току.

Существуют и смешанные (комбинированные) ООС.

Поскольку ООС препятствует изменению КУ, АЧХ и ФЧХ однокаскадного усилителя с ООС идут ровнее, полоса пропускания становится шире (рис. 1.2, а). Граничные частоты однокаскадного усилителя с ООС определяются из формул:

, .

В многокаскадных усилителях условие равномерности АЧХ обычно выполняется лишь в середине полосы пропускания. Поэтому на частотах, близких к граничным, ООС может переходить в ПОС и АЧХ будет иметь два подъема в области граничных частот (рис. 1.2, б). Если в многокаскадном усилителе увеличивать общую ООС, то одновременно будет увеличиваться и общая ПОС на краях частотного диапазона, что приведет к росту пиков на частотной характеристике, а затем и к возникновению генерации при .

аб

Рис. 1.2

При нелинейных искажениях паразитные высшие гармоники, имеющиеся в выходном сигнале, поступают на вход усилителя в фазе, противоположной их начальным значениям, и появляются на выходе усилителя уже ослабленными в Fраз. Конечно, во столько же раз окажется ослабленным и полезный сигнал, однако, его можно увеличить за счет повышения КУ предыдущих каскадов, работающих без нелинейных искажений.

Помимо расширения диапазона рабочих частот и уменьшения нелинейных искажений сигнала, использование ООС приводит также к изменению входного и выходного сопротивлений усилителей.