Лекция 5 Обратная связь и ее влияние на свойства усилителей

Обратной связью называется передача части энергии с выхода усилителя (или его промежуточного звена) на его вход (или на вход его промежуточного звена). Структурная схема усилителя с обратной связью (рисунок 5.1) включает усилитель с коэффициентом усиления и звено обратной связи с коэффициентом передачи звена. Наличие обратной связи сильно влияет на параметры усилителя, используя ее разработчик может получить желаемые свойства усилителя без существенных аппаратурных затрат.

Рисунок 5.1 - Структурная схема усилителя с обратной связью

5.1 Классификация обратных связей

Обратные связи подразделяются:

- на общие и местные: общие охватывают все звенья усилителя; местные - только часть звеньев;

- на внешние и внутренние: внешние создаются за счет внешней цепи обратной связи, а внутренние - за счет внутренних свойств усилительных элементов (например, коэффициент внутренней обратной связи биполярного транзистора );

- на паразитные и специально введенные: паразитные существуют помимо воли разработчика, задачей последнего является обнаружение и уменьшение их влияния; специально введенные вводятся разработчиком для придания усилителю желаемых свойств;

По способу снятия обратные связи подразделяются:

- на обратную связь по напряжению (рисунок 5.2), когда напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению ,

-на обратную связь по току (рисунок 5.3), когда напряжение обратной связи пропорционально выходному току .

Рис.2. Структурная схема с ОС по напряжению

Рисунок 5.3 - Структурная схема с ОС по току

По способу введения обратные связи подразделяются:

-на обратную связь последовательную (рисунок 5.4), когда напряжение обратной связи включается последовательно с входным сигналом, т.е. напряжение на входе усилителя равно сумме ;

- на обратную связь параллельную (рисунок 5.5), когда напряжение обратной связи вводится параллельно входному сигналу, т.е. ток на входе равен сумме токов .

Рисунок 5.4 - Структурная схема усилителя с последовательной ОС

Рисунок 5.5 - Структурная схема усилителя с параллельной ОС

По виду обратные связи подразделяются:

-на положительную обратную связь (ПОС), когда введение обратной связи приводит к увеличению коэффициента усиления;

- на отрицательную обратную связь (ООС), когда введение обратной связи приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Обратная связь в зависимости от вида, способа снятия и способа введения влияет на основные параметры усилителя: коэффициенты усиления, входное и выходное сопротивления, полосу пропускания.

5.2 Влияние обратной связи на коэффициент усиления

Рассмотрим влияние обратной связи для последовательной обратной связи по напряжению (рисунок 5.6), аналогичные выводы можно сделать и для других вариантов.

Рисунок 5.6 - Структурная схема усилителя

с последовательной обратной связью по напряжению

В общем случае коэффициент усиления усилителя и коэффициент обратной связи- величины комплексные

, (5.1)

, (5.2)

где и- модули коэффициента усиления усилителя и коэффициента обратной связи;

и фазовые сдвиги соответственно в усилителе и цепи обратной связи.

Напряжение на входе усилителя формируется как сумма напряжений обратной связии напряжения сигнала,это напряжение усиленное враз, появляется на выходе усилителя

, (5.3)

учитывая, что , получим коэффициент усиления с обратной связью

. (5.3)

Коэффициент усиления с обратной связью - это коэффициент усиления усилителя, (выделен штриховой линией), его величина зависит от коэффициента усиления(усилителя без обратной связи) икоэффициента петлевого усиления

. (5.4)

. (5.5)

В области средних частот фазовый сдвиг в усилителе может быть равным нулю (усилитель неинвертирующий) или (усилитель инвертирующий). Фазовый сдвиг в цепи обратной связи может быть произвольным, но для упрощения выводов примем, что он может быть равным нулю или. Тогда возможны два случая.

Первый случай +=0, т.е. напряженияисовпадают по фазе, напряжение обратной связи складывается с входным напряжением. Такую обратную связь называютположительной. Коэффициент усиления для положительной обратной связи определяется выражением

. (5.6)

Из последнего выражения видно, что если , то. Это показывает возможность значительного увеличения коэффициента усиления с обратной связью.

Второй случай +=, т.е. напряжения ипротивоположны по фазе, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения. Такую обратную связь называютотрицательной. Коэффициент усиления для отрицательной обратной связи с учетом, что , определяется выражением

. (5.7)

Из анализа этого выражения видно, что с увеличением коэффициента петлевого усиления коэффициент усиления с обратной связью уменьшается. В случае, когда, то

. (5.8)

Коэффициент усиления с отрицательной обратной связью зависит только от коэффициента обратной связи.

Прежде чем решить какой вид обратной связи использовать, рассмотрим влияние обратной связи на стабильность коэффициента усиления с обратной связью.