4. Обратная связь в усилителях

Обратной связью называют такую связь между цепями усилителя, при которой часть энергии сигнала с выхода усилителя передается во входную цепь.

На рис.6 изображена структурная схема усилителя с обратной связью, где 1 - собственно усилитель, а 2 – цепь обратной связи. Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако, иногда они возникают за счет сопротивлений источников питания и т.д. Такие обратные связи называютпаразитными. В зависимости от схемы присоединения цепи обратной связи к входу усилителя различаютпоследовательнуюипараллельнуюобратную связь, а к выходу – обратную связьпо напряжению ипо току. Соответственно может быть четыре варианта схем усилителей с обратной связью: усилитель с последовательной обратной связью по напряжению (рис.7А), усилитель с последовательной обратной связью по току (рис.7Б), усилитель с параллельной обратной связью по напряжению (рис7В), усилитель с параллельной обратной связью по току (рис7Г).

Error: Reference source not found Чтобы определить, как изменяются основные характеристики при введении обратной связи, найдем выражение для коэффициента усиленияKо.с. усилителя с обратной связью. Для этого воспользуемся схемой рис.7А.

По определениюKо.с. = Uвых/Uвх.

Uвых =KU₁ =K(Uвых +Uо.с.) =K(Uвх + Uвых)

Где K=Uвых/U₁ – коэффициент усиления без обратной связи, а =Uо.с./Uвых - коэффициент передачи обратной связи Отсюда следует:

Error: Reference source not found

Из (13) следует , что введение обратной связи меняет коэффициент усиления в (1 –K) раз. ПроизведениеK=Kexp(Jj_к) exp(Jj_ж), представляющее собой передаточную функцию последовательно соединенных четырехполюсниковKи , определяет характер и численное значение обратной связи.

Формула (13) показывает, что в зависимости от фазовых соотношений коэффициент Kо.с. может изменяться по разному.

Если фаза напряжения, поступающего на вход усилителя из цепи обратной связи совпадает с фазой напряжения, поступающего от источника сигнала, т.е. j=jк +j= 2pn(n=0,1,2,….) то произведениеK будет положительной вещественной величиной. Такую обратную связь называютположительной.

При положительной обратной связи:

Kо.с. =K/ (1 -K) (14)

Если фаза напряжения, поступающего на вход усилителя из цепи обратной связи, сдвинута на 180⁰по сравнению с фазой напряжения, поступающего на источник сигнала, т.е. наj = (2n+1)p, произведение будет отрицательной вещественной величиной. Такую обратную связь называютотрицательной.

При отрицательной обратной связи:

Kо.с. =K/(1 +K) (15)

Положительная обратная связь лежит в основе работы всех автогенераторов, а в усилителях применяется редко. В усилителях в основном применяется отрицательная обратная связь. Из формулы (15) видно, что введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления K. Но при этом возрастает стабильность коэффициента усиления.

Изменение коэффициента усиления усилителя удобно оценивать относительной величиной dK/K. Для усилителя с отрицательной обратной связью величинуdKо.с./Ко. с. можно найти дифференцированием (27) по К:

Error: Reference source not found

Последнее выражение показывает, что отрицательная обратная связь уменьшает нестабильность коэффициента усиления усилителя в (1+K) раз.

Отрицательная обратная связь улучшает и другие характеристики усилителя: выравнивает его частотную характеристику, уменьшает искажения, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивления (в случае последовательной обратной связи по напряжению).

Особенно хорошие результаты получаются при глубокой отрицательной обратной связи. Действительно при K>> 1

т.е. при глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления практически не зависит от параметров усилительной цепи, а определяется только параметрами цепиобратной связи.Стабильность параметров цепи обратной связи (обычноRC-элементы) значительно выше стабильности параметров транзисторов.

В заключение рассмотрим некоторые конкретные схемы усилителей с отрицательной обратной связью. На рис.8 приведена схема транзисторного каскада с отрицательной обратной связью по току. Обратная связь по току создается за счет включения резистора Rэ (он не зашунтирован емкостью конденсатораCэ)

Переменное напряжение между эмиттером и “землей” Uэ определяется переменной составляющей эмиттерного токаIэ и сопротивлением резистораRэ:Uэ=RэIэ. Полярность напряжения совпадает с полярностью входного напряжения. Поэтому напряжение между базой и эмиттеромUэб является разностью напряженийUвх иUэ:Uбэ=Uвх –Uэ. Так какUэ определяется выходным током каскада, в схеме имеется обратная связь =Rэ/Rк. УменьшениеUэ приводит к уменьшению входного тока , следовательно, введение последовательной обратной связи по току приводит, в частности, к увеличению входного сопротивления усилителя.

Error: Reference source not found

Коэффициент усиления данной схемы Кос=, поскольку при глубокой отрицательной обратной связи справедлива формула (17)Error: Reference source not found, а =Rэ/Rк. В предельном случае , когда для переменного токаRк=0, эта схема превращается вэмиттерный повторитель.- усилитель , коэффициент усиления которого близок к единице, т.к.Kо.с. =K/(1 +K), а =1.Эмиттерный повторитель находит широкоеприменение как согласующий каскад, связывающий источник сигнала с высоким выходным сопротивлением с низкоомной нагрузкой. Изменения фазы сигнала на средних частотах в эмиттерном повторителе не происходит, т.к. с ростом входного напряжения растет ток коллектора и напряжение на эмиттерном резисторе, т.е.на выходе.