ЛекцииСАиЦУ_ФКП

появлением дополнительных фазовых набегов в проходящих через усилительный тракт сигналах.

Вширокополосных усилительных трактах приближенно можно считать, что вещественный характер параметра Т сохраняется во всем рабочем участке частотного диапазона, поэтому указанные понятия не теряют своей значимости в пределах этого частотного диапазона.

За пределами этого диапазона прохождение сигналов по петле ОС сопровождается дополнительными фазовыми набегами, вследствие чего характер ОС может измениться, то есть обратная связь, организованная как отрицательная, может вызывать увеличение коэффициента усиления, а организованная как положительная — его уменьшение.

Вряде случаев схема усилительного тракта с ОС организована таким образом, что основное звено К5.6 обратной связи обладает частотнозависимой передачей. Такая схема называется схемой с частотно-зависимой обратной связью.

При рассмотрении свойств схем с ОС считают, что усилительный тракт К3.4 является однонаправленным. В реальных усилителях принцип однонаправленности передачи может нарушаться из-за паразитных ОС, например вследствие прохождения сигнала через проходную емкость транзистора. Влияние такой ОС можно учесть путем включения в структуру пассивных I, II и К5.6 звеньев дополнительной цепи, эквивалентной по передаточным свойствам внутренней ОС реального усилителя.

Часто построение шестиполюсников I и II таково, что цепи, идущие к их внешним зажимам, образуют внутри этих шестиполюсников параллельное (рис. 4.2,а) или последовательное (рис. 4.2,б) соединение.

Всоответствии с указанными разновидностями соединений различают обратные связи параллельного и последовательного вида. При этом в зависимости от структуры входного шестиполюсника различают ОС последо-

вательную по входу и ОС параллельную по входу.

63

Частным случаем последней схемы является схема рис. 4.4,а, в которой в качестве основного звена цепи ОС выступает двухполюсник Z5.6.

Рис. 4.4.

Часто при этом зажимы двухполюсника Z5.6 непосредственно подключаются ко входу и выходу усилителя, как показано на рис. 4.4,б. При этом образуется простейший вариант построения цепи ОС, соответствующий построению шестиполюсников I и II по параллельной схеме, т.е. обратной связи, параллельной по входу и выходу.

Приведенные структуры цепи ОС не исчерпывают все ее возможные разновидности. Часто структура цепи ОС такова, что трудно и даже невозможно причислить обратную связь к какому-либо виду. Поэтому при анализе свойств усилительных трактов с ОС целесообразно использовать такие методы анализа, которые не требуют классификации ОС по ее виду.

4.2.Правила определения значений исходных параметров и петлевой передачи в схемах с обратной связью

Параметры усилительного тракта, соответствующие отсутствию действия ОС в нем, называются исходными, так как на базе значений этих параметров осуществляется вычисление изменений характеристик усилительного тракта введением в усилительный тракт ОС. Исходные параметры соответствуют схеме тракта, в которой действие ОС исключено за счет разрыва петли ОС, выполненного по определенным правилам.

65

В соответствии с этими правилами указанный разрыв не должен сопровождаться нарушением режимов работы разделяемых в месте разрыва тракта.

По указанной причине необходимо к разделяемым участкам тракта подключать двухполюсники — эквиваленты Z’ и Z’’ (рис. 4.5.).

Рис. 4.5.

Первый из них является эквивалентом выходного сопротивления шестиполюсника II, второй Z’’ — выходного сопротивления четырехполюсника

К5.6. Схема, образованная указанным способом, является основной, с помощью которой определяются исходные значения таких параметров как коэф-

фициенты усиления по напряжению К1.2 = uВЫХ /uВХ и току К1.2 i = iВЫХ / iВХ, входное ZВХ и выходное ZВЫХ сопротивления.

Петлевая передача Т должна определяться в соответствии со схемой рис. 4.6,а, при этом к зажимам 5а — 5а’ разомкнутой по рассмотренным пра-

вилам петле ОС подключается источник испытательного сигнала uа. После чего определяется разность потенциалов uб между зажимами 5б — 5б’, вы-

званная этим источником. В результате

T = uб = К5а.6 К6.3 К3.4 К4.5 б (4.1)

uа

Петлевая передача в общем случае зависит от сопротивления ZС источника сигнала и сопротивления нагрузки ZН. Для получения полных данных о степени влияния ОС на свойства усилительного тракта достаточно иметь сведения о петлевой передаче, отвечающие крайним значениям этих

66

сопротивлений, то есть режимам короткого замыкания (Z = 0) и холостого хода (Z = ∞) по входу и выходу. Петлевые передачи отвечающие режиму короткого замыкания, обозначают как Т(0), а по холостому ходу — Т(∞). Обозначения дополняются индексами, указывающими на то, где — входе или выходе усилительного тракта — имел место режим короткого замыкания или холостого хода при определении соответственно Т(0) и Т(∞). Так, петлевой передаче, определенной в режиме накоротко замкнутых входных зажимов 1-1’ (ZС = 0), соответствует обозначение Т1.1’ (0), а при холостом ходе на входе

(ZС = ∞) Т1.1’ (∞). Т2.2’ (0) обозначает петлевую передачу (4.1), определенную в условиях накоротко замкнутых выходных зажимов (зажим 2.2’) и так далее.

В соответствии с этим можно считать, что рис. 4.6,а отражает процесс определения значения Т1.1’ (0), рис. 4.6,б — Т1.1’ (∞), рис. 4.6,в — Т2.2’ (0),

рис. 4.6,г — Т2.2’ (∞).

При определении значений Т двухполюсник Z’ в состав схемы рис. 4.5.

включать не обязательно, так как в ней в качестве источника испытательного сигнала uа включен генератор ЭДС. В результате этого значения напряжения uа не зависят от входного сопротивления цепи, на которую работает генера-

тор.

При ОСС и отсутствии дополнительного набега фаз при прохождении сигнала по петле ОС напряжение uб находится в противофазе по отношению к uа, а при ПОС совпадает с последним. В этих случаях значения параметров

T и F определяются вещественными числами.

Следует отметить, что в силу пассивности цепи ОС, включающей четырехполюсник К5.6 и шестиполюсники I и II, она не обладает свойствами однонаправленности передачи. Вследствие этого в схеме рис. 4.1. образуется дополнительная ветвь для прохождения сигнала со входа на выход через четырехполюсник К5.6 , минуя основное усилительное звено К3.4. На рис. 4.1. прохождение сигнала по отдельным звеньям этого пути охарактеризовано

67

Рис. 4.6.

68

коэффициентами передачи К1.6, К6.5 и К5.2. Значения общих коэффици-

ентов передачи по напряжению k1.2 и току k1.2 i через рассматриваемую ветвь определяется соотношениями

Коэффициенты передачи k1.2 и k1.2 i часто называют коэффициентами пассивной передачи или коэффициентами передачи, определёнными в условиях погашенного усиления, т. е. при отсутствии прохождения сигналов через основное усилительное звено К3.4.. Обычно k1.2 << К1.2 и k1.2 i << К1.2 i. Вследствие этого влиянием дополнительного прохождения сигнала со входа на выход через цепи ОС часто пренебрегают.

4.3. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилительного тракта

При охвате усилительного тракта однопетлевой ОС (замыкании петли) основные параметры и характеристики тракта изменяются. Связь измененных значений параметров (они будут отмечаться индексом «f») с рассмотренными исходными определяется соотношениями.

Где K1.2 = uВЫХ/uВХ — коэффициент передачи тракта при разомкнутой петле ОС (в схеме рис. 4.5.). Знак «+» перед петлевыми передачами Т в (4.2) относится к обратной связи, организованной как ООС, знак «–» — организованной как ПОС. При составлении соотношений (4.2) учтено, что в общем случае входящие в него параметры могут иметь комплексный характер.

Соотношение (4.2) применимы по отношению к любой паре зажимов усилительной схемы с однополевой ОС.

69

4.4. Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления

Главным источником нестабильности передаточных свойств усилительного тракта является непостоянство коэффициента усиления его основного усилительного звена К3.4, так как в этом звене сосредоточены транзисторные каскады, а именно транзисторные цепи больше всего подвержены воздействию дестабилизирующих факторов. Схемное построение остальных звеньев схемы рис. 4.1. основано на использовании пассивных элементов, поэтому коэффициенты передачи этих звеньев в малой степени зависят от воздействия основных дестабилизирующих факторов, таких как технологический разброс параметров транзисторов, отклонения питающих напряжений от номинальных значений, температурные изменения и т.д.

Чувствительность усилительного тракта к воздействию дестабилизирующих факторов может быть уменьшена за счет его охвата петлей ООС. При данном уровне воздействия дестабилизирующих факторов относительные изменения Кf /Кf коэффициента усиления в схеме с ООС меньше соответствующих изменений К/К в схеме без ОС в F раз, а абсолютные — в F 2, т.е. Кf = К/F 2, где F — глубина ОС.

С учетом сказанного будем полагать, что коэффициенты передачи всех входящих в структуру рис. 4.1. звеньев по отношению к воздействию дестабилизирующих факторов являются постоянными, за исключением звена

Где α и ß в рамках сделанных допущений являются постоянными коэффициентами, не зависящими от уровня воздействия дестабилизирующих факторов. Для схемы рис. 4.1..

α= К1.3 · К4.2, а ß = К5.6 · К6.3 · К4.5.

Спомощью соотношения (4.3) может быть проиллюстрирован меха-

низм стабилизирующего влияния ООС, а именно — при изменениях коэффи-

70

циента усиления αК3.4, стоящего в числителе дроби в (4.3), происходят аналогичные изменения петлевой передачи ßК3.4 в ее знаменателе, в результате чего относительные изменения коэффициента усиления К1.2 f оказываются меньше соответствующих изменений коэффициента усиления К1.2. При высоком значении петлевой передачи ßК3.4, когда она существенно больше единицы, изменениями коэффициента К1.2 f вообще можно пренебречь. Из этого следует, что изменения коэффициента К3.4 сопровождаются изменениями глубины ООС F = 1+ ßК3.4. Вследствие этого результат воздействия ОС на коэффициент усиления оказывается различным в различных условиях. Он больше в тех случаях и условиях, когда коэффициент усиления К3.4 имеет увеличенные значения и меньше там, где этот коэффициент меньше.

В схемах с глубокими ООС т.е. в условиях, когда Т>>1, коэффициент передачи К1.2 усилительного тракта практически не зависит от основного его усилительного звена К3.4 и определяется передаточными свойствами пассивных звеньев петли ОС.

Так, согласно (4.3) в условиях, когда ßК3.4 >>1, имеем

где ß = К5.6 · К6.3 · К4.5

Схема с глубокими ООС широко используются в устройствах преобразования аналоговых сигналов, создаваемых на базе операционных усилителей. В устройствах этого вида глубокая ООС осуществляется не только на переменном, но и на постоянном токе.

4.5. Влияние обратной связи на ход амплитудно-частотной характеристики

Обратная связь, организованная по типу отрицательной, улучшает частотные свойства широкополосных усилителей, уменьшая частотную зави-

71

симость коэффициента усиления. Указанное стабилизирующее воздействие ОС, с одной стороны, обусловлено изменениями модуля глубины ОС, который имеет меньшие значения на частотах, где исходный коэффициент усиления занижен, а с другой, тем, что в районе крайних частот полосы пропускания в петле ОС наблюдаются дополнительные фазовые набеги, приводящие к изменению характера ОС — ее переходу из положительной в отрицательную.

Следствием частотной зависимости модулей глубины ОС и соответствующей ей петлевой передачи является непостоянство относительных уменьшений значений ординат АЧХ и нормированной АЧХ, вызываемых введением ООС, а именно:

где К( f ), Кf ( f ) — АЧХ усилительного тракта при отсутствии ООС и ее наличии глубиной 1+Т0;

M( f ), Mf ( f ) — нормированная АЧХ усилительного тракта при отсутствии ООС и ее наличии;

Т0 — петлевая передача на номинальной частоте f0; MT ( f ) — нормированная АЧХ петлевой передачи.

В широкополосных усилителях цепи ОС обычно организованы таким образом, что они имеют частотно-независимый характер. В этом случае все частотные свойства усилителя и его петлевой передачи определяются частотными свойствами основного усилительного звена К3.4 , то есть выполняется условие MT ( f )=M( f ), в результате чего выражение (4.5) примет вид:

Графики рис. 4.7. иллюстрируют рассмотренное влияние ОС на ход АЧХ широкополосного усилителя.

Соотношения (4.5), (4.6) и графики рис. 4.7. лишь приближенно отражают влияние обратной связи на ход АЧХ, так как не учитывают характера изменений параметра ОС из-за дополнительных фазовых изменений сигна-

72