Лекция 5

Обратная связь и ее назначение в усилительных устройствах

1. Понятие обратной связи и ее назначение в усилительных устройствах

Обратной называется связь, при которой происходит передача сигнала (напряжения, тока) из выходной цепи усилителя во входную. В усилительных устройствах обратная связь используется для уменьшения искажений и повышения стабильности усиления и режима работы усилительного элемента. Как видно из рисунка в узле 1 складываются сигналы, поступающие от источника сигнала и с выхода усилителя. Если фазы этих сигналов совпадают, то общая амплитуда возрастает по сравнению с амплитудой как в узле 1, так и в узле 2, а такой вид обратной связи называется положительным.

Рис. 1

Обратная связь называется частотно-независимой, если сопротивление или коэффициент передачи напряжения или тока цепи обратной связи не зависит от частоты. Под местной ОС понимают ОС охватывающую один каскад усилителя, а под общей − ОС охватывающую весь усилитель или несколько каскадов. По способу передачи тока или напряжения с выхода на вход существует 4 вида обратной связи.

1. Основные параметры, характеризующие обратную связь

U₀, I₀ – напряжение и ток на входе усилителя без учета ОС;

U₁, I₁ – напряжение и ток на входе усилителя с учетом ОС;

U₂, I₂ – напряжение и ток на выходе усилителя;

U_oc, I_oc – напряжение и ток обратной связи.

1. Коэффициент передачи без обратной связи

.

2. Коэффициент обратной связи

, .

3. Петлевое усиление

, .

4. Фактор обратной связи

, .

5. Фактор обратной связи при разомкнутой цепи в нагрузке

.

6. Фактор обратной связи при разомкнутой цепи источника сигнала

.

2. Последовательная ОС по току

Рис. 2

Этот вид ОС является самым распространенным видом. При этом виде связи четырехполюсники K и включаются этажно. Иначе этот тип ОС называется ОС Z-типа.

, ,

при условии, что

, , .

ОС имеет максимальную эффективность, и подключение цепи ОС не оказывает влияния на условия работы.

; ;

; ;

или, что то же самое

; ; ;

; .

В резистивном каскаде последовательная ООС по току осуществляется цепочкой R_э, С_э в каскаде на биполярном транзисторе, или R_н, С_н в каскаде на полевом транзисторе. При этом принципиальная схема не отличается от схемы обычного резистивного каскада, за исключением того, что емкость С_э или С_н выбирается таким образом, чтобы придать каскаду требуемые свойства. Y_э = G_э + pC_э; С_э выбирается небольшим таким, чтобы на низких и средних частотах он не шунтировал R_э. Следовательно, на низких и средних частотах в каскаде действует активная ОС по току, уменьшающая усиление. На высоких частотах сказывается шунтирующее действие конденсатора, что приводит к уменьшению глубины ОС, что в свою очередь несколько компенсирует спад усиления на высоких частотах и расширяет полосу пропускания каскада. Поэтому цепочка R_э, С_э осуществляет коррекцию частотных характеристик в области ВЧ.

3. Последовательная ОС по напряжению

Рис. 3

При такой ОС четырехполюсники K и K_ос соединяются этажно параллельно. Эта обратная связь называется обратной связью h-типа.

, ,

при условии, что

, , .

ОС имеет максимальную эффективность и подключение цепи ОС не оказывает влияния на условия работы, далее аналогично, как при ОС z-типа.

, , , , .

Из данных соотношений очевидно, что последовательная ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление, коэффициент усиления по напряжению и сквозной коэффициент усиления, сохраняет неизменным коэффициент усиления по току и увеличивает входное сопротивление.

4. Параллельная ОС по току

Рис. 4

При данном виде обратной связи четырехполюсники прямой и обратной передачи соединяются параллельно-этажно. Такая ОС называется обратной связью f-типа.

, , ,

далее, как при ОС z- и h-типа

, , ,, .

Из рассмотренных соотношений видно, что параллельная обратная связь по току уменьшает входное сопротивление, коэффициент усиления по току и сквозной коэффициент усиления, увеличивает выходное сопротивление, сохраняет неизменным коэффициент усиления по напряжению.

5. Параллельная обратная связь по напряжению

Рис. 5

Для данного вида обратной связи, как и в предыдущих примерах, можно определить схемные функции.

, , , , .

6. Многоканальные местные обратные связи

На рис. 6. показаны многоканальные местные обратные связи: а – последовательная, б – параллельная.

Рис. 6

7. Влияние обратной связи на характеристики усилителя

Амплитудная характеристика представляет зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения. При ООС по напряжению последовательного вида, действующих на входах и выходах усилителя и цепи ОС, можно записать:

U_вх = U₁ + U_ос

U_вых = f(U₁) – амплитудная характеристика цепи без ОС,

U_oc = U_вых – амплитудная характеристика цепи ОС линейная, если цепь ОС состоит только из пассивных элементов.

U_вых = f(U_вх) – амплитудная характеристика усилителя с ОС.

Рис. 7

Соотношение позволяет графически найти амплитудную характеристику усилителя с ОС по амплитудной характеристике усилителя без ОС. Для этого на одном графике, представленном на рис. 7, строятся амплитудные характеристики усилителя без ОС (сплошная линия) и цепи с ОС (пунктирная линия). Затем задаются значениями U_oc = U_вых и находят соответствующие значения U_вх = U₁ + U_ос.

Повторяя эту процедуру многократно, по точкам получаем искомую амплитудную характеристику усилителя с ОС. Как видно из рисунка, амплитудная характеристика усилителя с ОС получается суммированием линейной характеристики цепи ОС с нелинейной характеристикой усилителя без ОС. Суммарная характеристика имеет существенно большую линейность. Это позволяет при тех же значениях выходного напряжения обеспечить меньший уровень нелинейных искажений.

Приближенную количественную оценку влияния ос на нелинейные искажения можно найти в предположении, что сам усилитель линеен, а нелинейные искажения обусловлены действием внешнего источника гармоник, амплитуда которых определяется только уровнем выходного напряжения. В этом случае нелинейные искажения уменьшаются обратной связью во столько раз, во сколько раз падает при введении ОС усиление устройства:

Приближенность такого рассмотрения состоит в том, что не учитывается вторичное искажение сигнала гармоник при прохождении по контуру ОС.

Такие же выводы можно сделать о влиянии ОС на любой источник шумов, фона и.д. Если источник находится в цепи усилителя, охва­ченного ООС, то эффект от его действия на выходе усилителя умень­шается в раз.

Зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига от частоты обусловлена наличием в усилителе реактивных элементов. Применение ОС способствует расширению полосы пропускания частот и снижению частотных искажений в пределах этой полосы.

Расширение полосы равномерного усиления способствует уменьшению фазового сдвига и переходных искажений.

Рис. 8

С помощью ОС удается в значительной степени снизить внутренние помехи на выходе усилителя. Допустим, что источник ЭДС расположен где-либо в средней части схемы усилителя, и что коэффициенты усиления от входа и до этой ЭДС, и от этой ЭДС до выхода усилителя равны соответственно K_1е и K₂, причем K_е = K_1еK₂. Усилитель усиливает ЭДС помехи в K₂ раз, а коэффициент передачи по цепи ОС равен , при этом возвратное отношение оказывается таким же, как и для ЭДС на входе, т.е. . Следовательно, напряжение помехи на выходе ослабляется в цепи обратной связи так же, как и сигнал, т.е. в число раз, равное ее глубине. Поскольку ОС ослабляет в равной степени и сигнал, и помеху, то отношение сигнал/шум при действующей ОС остается прежним. Но если при введении ОС с глубиной F одновременно повысить амплитуду сигнала на входе, то отношение сигнал/шум при этом повысится в F раз. Однако отношение сигнал/шум такого вида, как тепловой шум источника, сигналы или шумы во входной цепи усилителя, не удается повысить, применяя ОС. Введение ОС позволяет уменьшить нелинейные искажения, возникающие в усилителе. Физически это определяется тем, что посторонние составляющие выходного напряжения или тока – гармоники и комбинационные частоты – по цепи ОС попадают на вход усилителя и снова попадают на выход, но уже в противофазе. При небольших исходных коэффициентах гармоник усилитель допустимо считать линейным, и тогда гармоники и комбинационные частоты изменяются так же, как и внутренние помехи при сохранении одного и того же значения сигнала на выходе. Это значит, что при одном и том же значении сигнала на выходе при отсутствии и действии ОС коэффициент гармоник окажется меньше в число раз равное глубине ОС. В практических схемах часто встречается не один вид обратной связи, а комбинации различных видов. Обратными связями могут охватываться как отдельные каскады, так и группы каскадов и усилитель в целом. Применение обратных связей может привести в некоторых случаях к самовозбуждению усилителя, что является нежелательным явлением, поэтому особую актуальность имеют вопросы обеспечения устойчивости при охвате усилителей обратной связью. Для анализа устойчивости усилителей с обратной связью применяют либо алгебраические, либо частотные критерии устойчивости. На практике наиболее широко используется частотный критерий Найквиста, позволяющий проводить экспериментальную проверку устойчивости усилителя.