4.5. Обратные связи в электронных усилителях

Обратная связь (ОС) это явление, при котором результаты процесса влияют на его ход. В радиоэлектронике обратной связью называют воздействие выходного сигнала устройства на его вход. Обратные связи находят широкое применение в различных устройствах автоматических систем управления, энергетической и информационной электроники. В усилителях ОС используют для направленного изменения их характеристик.

В общем случае усилитель с ОС представляется структурной схемой (рис. 4.13), которая содержит цепь прямой передачи – усилитель с комплексным коэффициентом передачи и цепь обратной связи с комплексным коэффициентом обратной передачи. Коэффициент обратной связи показывает, какая часть сигнала (энергии, напряжения, тока) с выхода усилителя подается на вход. В усилителях обычно используют пассивную цепь ОС, т.е.. Цепь обратной связи и цепь прямой передачи образуют замкнутый контур, который называют петлей обратной связи.

Входной сигнал цепи прямой передачи представляет собой алгебраическую сумму входного сигнала усилителя с ОСи сигнала ОС:

, (4.13)

Рис. 4.13. Структурная схема усилителя с обратной связью

поэтому сигнал на выходе усилителя будет равен:

. (4.14)

Решив уравнение (4.14) относительно , получим

. (4.15)

Из (4.15) следует, что комплексный коэффициент передачи усилителя с ОС связан с комплексными коэффициентами передачи цепей прямой и обратной передачи соотношением:

. (4.16)

Произведение называется петлевым усилением, а величина– глубиной ОС. Петлевое усиление определяет характер обратной связи и коэффициент усиленияусилителя с ОС. В общем случае, когда петлевое усиление, то(в системе действует положительная обратная связь (ПОС)), а при–(в системе действует отрицательная обратная связь (ООС)). Так каки, гдеи– фазовые сдвиги сигнала, вносимые цепями прямой передачи и обратной связи, комплексный коэффициент передачиусилителя с ОС можно представить в виде:

. (4.17)

В частности, при ,0, 1, 2,…, петлевое усилениевеличина вещественная и положительная, при этом сигнал обратной связи поступает на вход цепи прямой передачи (усилителя) в фазе со входным сигналом (действует ПОС). В случае, когда, имеет место регенеративное усиление, при этом, а при выполнении условияусилитель с ПОС становится неустойчивым и самовозбуждается. Припетлевое усилениевеличина вещественная и отрицательная, при этом сигнал обратной связи поступает на вход цепи прямой передачи (усилителя) в противофазе с входным сигналом (действует ООС). В этом случае, как следует из (4.17), коэффициент усиления усилителя с ООС равен

, (4.18)

т.е. коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления, ООС широко применяется в усилителях, так как она улучшает ряд других параметров. Считая=const и дифференцируя выражение (4.18) пополучим абсолютное изменение

.

Разделив его на (4.18), получим относительное изменение

. (4.19)

Из (4.19) видно, что отрицательная обратная связь уменьшает относительное изменение враз по сравнению с относительным изменением коэффициента усиления усилителя без ООС. В частности, стабилизирует работу усилителя, уменьшая зависимость от изменений параметров транзисторов, колебаний напряжения питания и величины нагрузки, существенно уменьшает нелинейные и частотные искажения, вносимые усилителем, ослабляет уровень внутренних помех, расширяет полосу пропускания. При глубокой ООСкоэффициент усиления равен, т.е. определяется только параметрами цепи обратной связи и не зависит от параметров исходного усилителя без ООС.

Обязательным условием нормального функционирования усилителя является его устойчивость. В физическом понимании свойство устойчивости означает, что конечные изменения входного сигнала не вызывают неограниченного изменения выходного сигнала, а после прекращения действия возмущающего воздействия усилитель возвращается к исходному, невозмущенному состоянию. Комплексные коэффициенты передачи и обратной связизависят от частоты и на некоторых частотах отрицательная обратная связь превращается в положительную. На этих частотах усилитель самовозбуждается и становится источником помех для других устройств. Для проверки усилителя на устойчивость к самовозбуждению удобно воспользоватьсякритерием Найквиста. Критерий Найквиста гласит: если амплитудно-фазовая характеристика петлевого усиления не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами (1,0), то усилитель не возбуждается. Вид амплитудно-фазовая характеристика усилителя устойчивого по критерию Найквиста показан на рис.4.14.

Различают внутренние и внешние ОС. Внутренние ОС являются неотъемлемой частью усилителей и обусловлены физическими процессами в электронных приборах, а также емкостными, индуктивными и гальваническими связями между выходными и входными цепями усилителя. ОС, обусловленные такими связями, называют паразитными обратными связями. Обычно паразитные связи в усилителе стараются ослабить настолько, чтобы они практически не сказывались на его свойствах. Так как ОС сильно влияет на характеристики усилителя, ее часто вводят в усилитель преднамеренно для изменения его свойств в нужном направлении. В этом случае для передачи части сигнала c выхода на вход используют внешние цепи обратной связи, и такие ОС называют внешними.

Рис. 4.14. Вид амплитудно-фазовая характеристика усилителя устойчивого к самовозбуждению по критерию Найквиста

В зависимости от способа получения сигнала ОС с выхода усилителя различают обратную связь по напряжению (рис. 4.15а) и по току (рис. 4.15б). Чтобы выяснить в конкретной схеме, каким способом получен сигнал ОС, можно воспользоваться следующим правилом: если мысленно закоротить нагрузку, то ОС по току сохраняется, а по напряжению – исчезает. По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную (рис. 4.15в) и параллельную (рис. 4.15г) обратные связи. При последовательной ОС на входе усилителя (цепи прямой передачи) выполняется алгебраическое суммирование напряжений. При параллельной ОС – выполняется алгебраическое суммирование токов.

а) б) в) г)

Рис. 4.15. Типы обратных связей (структурные схемы):

по способу получения сигнала на выходе:

а) обратная связь по напряжению,

б) обратная связь по току,

по способу подачи сигнала на вход:

в) последовательная,

г) параллельная

Комбинируя способы получения и подачи сигнала ОС, получают четыре основных типа ОС: последовательную по напряжению, последовательную по току, параллельную по напряжению, параллельную по току.

Способ получения сигнала ОС влияет на выходное сопротивление усилителя, а способ подачи сигнала ОС на вход влияет на входное сопротивление. ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление, а ОС по току – увеличивает его. В случае последовательной ООС увеличивается входное сопротивление, а в случае параллельной ООС входное сопротивление уменьшается.

Типы ОС проанализируем на примере однокаскадных усилителей, схемы которых приведены на рис. 4.16а и рис. 4.16б. В обеих схемах цепь ОС образует резистор , включенный в цепь эмиттера транзистора. Входное напряжение действует на базу относительно корпуса. Изменениевызывает изменение напряжения на эмиттере. Так как для транзистора управляющим является напряжение, то в обеих схемах имеем

, (4.20)

т.е. в рассматриваемых схемах действует последовательная ООС. Усилитель на рис. 4.16а охвачен последовательной ООС по току, поскольку при , причем(т.к., полагаем). В рассматриваемых схемах ОС частотно независима, поскольку напряжениене зависит от частоты. В усилителях применяют также частотно избирательную ОС. Например, шунтированием резисторав схеме, изображенной на рис. 4.16а конденсаторомбольшой емкости (, где– нижняя частота спектра усиливаемого сигнала), создают ООС по постоянной составляющей тока эмиттера для стабилизации режима покоя усилителя.

а) б)

Рис. 4.16. Схемы однокаскадных усилителей с ООС:

а) последовательная ООС по току,

б) последовательная ООС по напряжению