Контрольные вопросы и задания

1. Какие устройства считаются усилителями? Является ли повышающий трансформатор усилителем?

2. По каким признакам классифицируют усилители?

3. Рассчитайте частотные искажения усилителя, если известно, что К_ср = 40 дБ, К_н = 37 дБ.

4. Рассчитайте, во сколько раз будет усиливаться Е_г, если известно, что R_г = 1 кОм, R_вх.ус = 1 кОм, R_вых.ус = 1 кОм, R_н = 1 кОм, К_хх = 1000.

5.2. Обратная связь в усилительных устройствах

Современные усилительные элементы обладают значительным разбросом параметров от образца к образцу, температурной нестабильностью и существенной нелинейностью.

Обеспечение высоких технических характеристик усилительных устройств при использовании таких элементов приводит к необходимости применения специальных мер по стабилизации и линеаризации. Этого можно добиться введением в усилитель специальных элементов, зависимость параметров которых от температуры или характер их нелинейности таковы, что позволяют в определенной мере скомпенсировать температурный уход параметров усилительных элементов или их собственную нелинейность. Однако такой метод требует индивидуальной настройки каждого образца усилителя высококвалифицированным специалистом, что нетехнологично, дорого и практически неприемлемо при массовом производстве.

Значительно более эффективным и универсальным методом стабилизации и линеаризации является метод обратной связи.

Идея этого метода заключается в том, что управляющее напряжение усилителя формируется как результат сравнения мгновенного значения входного сигнала с соизмеримой с ним по уровню частью выходного сигнала таким образом, чтобы соответствующим воздействием на усилитель свести к минимуму их отличия. Тем самым происходит автоматическая компенсация всех факторов, приводящих к отличию мгновенных значений входного и выходного сигналов: нелинейных и частотных искажений, собственных шумов, нестабильности параметров усилителя и т. д.

5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.

Обобщенная линеаризованная модель усилителя с обратной связью представлена на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Линеаризованная модель усилителя с обратной связью:

1 – исходный усилитель с комплексным коэффициентом передачи ;2 – цепь обратной связи с коэффициентом передачи ;3 – сравнивающее (вычитающее) устройство; 4 – цепь связи источника сигнала с исходным усилителем с коэффициентом передачи

Характерной особенностью усилителя с обратной связью является наличие цепи обратной связи 2, через которую выходной сигнал усилителя подводится во входную (управляющую) цепь, где он вычитается из входного сигнала. Благодаря этому управляющее напряжение исходного усилителянесет информацию об отличии выходного напряженияот ЭДС входного сигнала :

, (5.1)

где – коэффициент передачи выходного напряжения к управляющим зажимам (коэффициент обратной связи);– коэффициент передачи ЭДС сигнала к управляющим зажимам (коэффициент прямой связи).

Сравнение сигналов прямой и обратной связи на рис. 5.4 отражено введением идеального вычитающего устройства 3. Реально вычитание осуществляется либо подачей сравниваемых напряжений одинаковой полярности на противоположные зажимы цепи управления, либо подачей на один и тот же зажим сравниваемых напряжений в разной полярности. Введем понятие комплексного коэффициента усиления ЭДС сигнала с обратной связью

. (5.2)

Из рассмотрения рис. 5.8 следует очевидное соотношение

. (5.3)

При неограниченном увеличении коэффициента усиления исходного усилителя

для получения заданного значения выходного напряжения с обратной связью требуется согласно (5.3) управляющее напряжение

,

откуда согласно (5.1) следует, что

и предельное значение комплексного коэффициента усиления с обратной связью принимает вид

. (5.4)

Соотношение (5.4) отражает важнейшее свойство обратной связи: в предельном случае усиление усилителя с обратной связью не зависит от параметров исходного усилителяи полностью определяется параметрами цепей прямой и обратной связи.

Стабильность и линейность пассивных элементов, определяющих значения и, могут быть сделаны значительно более высокими, чем у усилительных элементов, определяющих значение. В результате стабильность и линейность усилителя с обратной связью также оказываются более высокими, чем у исходного усилителя.

Ниже будет показано, что стабилизирующие свойства обратной связи проявляются и при конечных значениях произведения , что и объясняет чрезвычайно широкое использование обратной связи при проектировании усилительных устройств.

Определим коэффициент усиления с обратной связью при конечном значении произведения по очевидному алгоритму (см. рис. 5.8):

,

откуда (5.5)

и . (5.6)

Здесь – петлевое усиление (усиление по замкнутому кольцу обратной связи);– глубина обратной связи.

В предельном случае (при ) управляющее напряжение при вычитании сигналов прямой и обратной связи стремилось к нулю. В общем случае, т. е. при конечном петлевом усилении и векторном вычитании сигналов, признаком стабилизирующей обратной связи является уменьшение амплитуды управляющего напряжения при введении обратной связи, которая определяется из (5.5) по очевидному соотношению

.

Поэтому если F1, то обратная связь приводит к уменьшению управляющего напряжения. Обратная связь такого типа называетсяотрицательной(ООС). ПриF1 связь называетсяположительной(ПОС). Положительная обратная связь оказывает дестабилизирующее действие и поэтому в чистом виде в усилителях практически не применяется.

В силу неравномерности АЧХ исходного усилителя и цепи обратной связи Fможет быть больше единицы в одном диапазоне частот и меньше единицы – в другом. Другими словами, вид обратной связи (ООС или ПОС) можно установить лишь для определенного диапазона частот.

Поэтому когда указывается конкретный тип обратной связи, то имеется в виду ее характер лишь в рабочей области частот усилителя.

Представляя (5.6) в показательной форме, имеем

.

Полагая, что при cos1, sin, из (5.7) и (5.8) можем получить упрощенные соотношения (для идеальногои):

; (5.7)

. (5.8)

Эффект от введения обратной связи можно оценить по изменению значения конкретного параметра усилителя до (=0) и после ее введения. Тогда из (5.7) и (5.8) следует, чтокоэффициент усиления и фазовый сдвиг усилителя с обратной связью в F раз меньше, чем у исходного усилителя.