Понятие «обратная связь»

Обратной связью называется связь между цепями усилителя, когда часть мощности усилителя передается с выхода усилителя на его вход (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Усилитель с обратной связью.

Рисунок 5 – Виды обратной связи: а) положительная обратная связь (ПОС); б) отрицательная обратная связь (ООС).

Обратная связь может появиться в усилителе по трем причинам:

1. из-за физических свойств и устройства усилительных элементов (внутренняя обратная связь);

2. вследствие паразитных емкостных, индивидуальных и других связей в усилителе (паразитная обратная связь);

3. из-за введения в схему специальных цепей (внешняя обратная связь).

Все виды обратной связи могут очень сильно изменять свойства усилителя. Внутренними и паразитными обратными связями нельзя управлять и они могут изменять свойства усилителя в нежелательном направлении. Внешняя обратная связь легко управляема и ее вводят для улучшения параметров усилителя и придания им специфических свойств.

Замкнутый контур, образуемый целью обратной связи и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называют петлей обратной связи.

Обратную связь называют положительной (Рисунок 5,а), если ее напряжение Uoc находится точно в фазе с напряжением Uи и, складываясь с ним, увеличивает напряжение на входе усилителя. Если же напряжение обратной связи находится точно в противофазе с напряжением, а, следовательно, вычитается из нее, уменьшая сигнал на входе, обратную связь называют отрицательной.

Если цепь обратной связи не содержит индуктивностей и емкостей, то ее называют частотно-независимой. В этом случае напряжение обратной связи не зависит от частоты. Если цепь обратной связи содержит реактивные элементы, то она называется частотно-зависимой и ее напряжение зависит от частоты.

Условия самовозбуждения.

Для получения незатухающих колебаний необходимо непрерывно восполнять энергии в колебательном контуре (Рисунок 1,2). Это достигается подключением к контуру усилительного элемента 1, регулирующего поступление энергии от источника постоянного напряжения 4. управление усилительным элементом осуществляется целью обратной связи.

Для превращения усилителя в генератор нужно выполнить два требования:

1) обеспечить действие ПОС (положительная обратная связь) с выхода на вход усилителя (баланс фаз);

2)предусмотреть такую величину ПОС, которая была бы достаточной для поддержания в схеме изменения напряжений и токов по закону, свойственному этой схеме, сколь угодно длительное время (баланс амплитуд), т.е. сумма затуханий β и усилений К* в петле обратной связи (Рисунок 1),

где К* - коэффициент усиления усилительного элемента;

β – коэффициент передачи цепи обратной связи.

Принципиальная схема lc-генератора с трансформаторной обратной связью

Рисунок 6 – а) Принципиальная схема LC-генератора; б)Частотная характеристика колебательного контура.

LC-генератор (рисунок 6,а) состоит из усилительного элемента, выполненного на транзисторе VT1, включенного по схеме с общим эмиттером. Резисторы R_g1 и R_g2 представляют делитель напряжения. Падение напряжения на резисторе R_g2 минусом приложено к базе транзистора, а плюсом к эмиттеру, и определяет напряжение смещения, т.е. выбор рабочей точки. В усилительном элементе при включении транзистора по схеме с общим эмиттером напряжение Uэк сдвинуты по фазе на угол 180⁰.

В коллекторную цепь эмиттера включен параллельный колебательный контур на элементах L₂ и C₂. На рисунке 6,б приведена частотная характеристика колебательного контура.

Напряжение обратной связи Uoc снимается с обмотки L1 трансформатора Т1 и через конденсатор С1 поступает на базу транзистора. Выводы обмотки L1 должны быть подключены таким образом, чтобы в трансформаторе осуществлялся поворот фазы на 180⁰.

Рассмотрим работу LC-генератора. В момент включения источника питания появляется смещение за счет тока делителя, транзистор открывается и через него проходит ток i_к. конденсатор С2 зарядится, начнется его перезарядка через катушки индуктивности L2, т.е. в колебательном контуре возникнет ток I с частотой .

Переменный ток контура, протекая через катушку L2, создает вокруг нее переменное магнитное поле, наводящее в катушке L1 переменную ЭДС, часть которой поступает через конденсатор С1 на базу трансформатора VT1 в виде переменного напряжения обратной связи Uoc. Под действием этого напряжения в коллекторной цепи транзистора возникает переменный ток коллектора i_к , направление которого должно совпадать с направлением контурного тока i. В этом случае потери энергии в колебательном контуре будут компенсироваться усилительным элементом. Путем подбора значения напряжения обратной связи Uoc можно добиться полной компенсации потерь в контуре, но и в связи с противоположным направлением тока коллектора i_к . появившееся в таком контуре колебания быстро затухают.

Во втором случае, если выводы индуктивности L1 поменять местами, в генераторе возникает отрицательная обратная связь. Перезарядный ток конденсатора i будет уменьшаться не только из-за потерь в контуре, но и в связи с противоположным направлением тока коллектора i_к. появившиеся в таком контуре колебания быстро затухают.

Помимо автогенераторов LC с трансформаторной обратной связью существуют LC-генераторы, выполненные по трехточечным схемам. Колебательный контур такого генератора имеет не две, а три точки, связывающие его по переменному напряжению с электродным транзисторо-коллектором, эмиттером и базой.

RC-генераторы гармонических колебаний

Генераторы типа LC применяются на частотах выше 20кГц, т.к. на низких частотах индуктивности и емкости в колебательном контуре имеют большие габариты, вес и стоимость. Для получения низких частот чаще пользуются более простыми, дешевыми, технологичными и удобными в эксплуатации генераторами типа RC (Рисунок 8), у которых вместо колебательного контура включен резистор Rк, а обратная связь выполняется при помощи цепочки, состоящей из резисторов и конденсаторов.

Если требуется генератор гармонических колебаний, выходное напряжение которого изменяется по синусоидальному закону, с определенной частотой, то необходимо, чтобы самовозбуждение возникло только на этой частоте. Это выполняется только в том случае, если условие фаз и амплитуд в петле положительной обратной связи выполняется только для одной частоты.

Так как в усилительном элементе выполняется сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением на 180⁰, то дополнительный сдвиг напряжения можно получить с помощью цепочек R, состоящих из резисторов и конденсаторов (Рисунок 7).

Рисунок 7 – а) Амплитудные и фазовые характеристики однозвенных RC-цепей С-параллель; б) и типа R-параллель.

На этом же рисунке под каждой цепочкой приведены графичексие зависимости коэффициентов передачи и фазовые сдвиги φ между выходным и входным напряжениями. В цепочке на рисунке 7,а выходное напряжение отстает, а в цепочке на рисунке 7,б - опережает входное напряжение. Причем фазовый сдвиг увеличивается с ростом частоты и может достигать 90⁰ при . В области рабочих частот фазовый сдвиг φ меньше 90⁰, поэтому для получения фазового сдвига 180⁰ нужно последовательно соединить три таких цепочки, каждая из которых должна на заданной частоте генерации осуществлять фазовый сдвиг, равный 60⁰. Можно построить и RC-автогенератор на 4-х RC-цепочках по такой же методике.

На рисунке 8 приведена схема RC-генератора с цепочками типа С-параллель. Транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером. В нем происходит сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением на 180⁰. дополнительный сдвиг на 180⁰ создается тремя последовательно включенными цепочками C1R1, C2R2, C3R3. Если С1=С2=С3=С и R1=R2=R3=R, то генерируемая частота определяется по формуле . Из рисунка 7,а,б видно, что баланс фаз выполняется только для одной частоты.

Рисунок 8 – Схема RC-генератора с цепочками типа С-параллель.

Выходные напряжения, проходя через фазосдвигающие цепочки, ослабляется в 29 раз. Поэтому для получения в таком генераторе устойчивых незатухающих колебаний следует их усилить с помощью усилительной части генератора, чтобы полностью скомпенсировать затухание в фазосдвигающих цепях.

Следовательно, коэффициент усиления усилителя должен быть равен 29. при меньшем усилении, колебания, возникающие в генераторе в момент включения, быстро уменьшатся до нуля. При большем коэффициенте усиления условие самовозбуждения выполняется и для других частот, отличающихся от резонансной частоты . Тогда в выходном напряжении будет содержаться несколько частот и его форма будет отличаться от синусоидальной. При очень большом коэффициенте усиления выходное напряжение приобретет вид последовательных прямоугольных импульсов.

Рассмотрим работу RC-генератора (Рисунок 8). В усилительном элементе применена схема подачи смещения фиксированным током базы. Функцию R_g1 выполняют последовательно соединенные резисторы R1, R2 и R3, т.е. R_g1= R1+R2+R3. Так как R_g1 подключен к коллектору, то в схеме возникает параллельная отрицательная связь по постоянному и переменному току. Кроме того, в схеме предусмотрена эмиттерная стабилизация по постоянному току за счет резистора Rэ.

При включении источника питания в резисторах и транзисторах возникают шумы, имеющие большую полосу частот. Но так как условие фаз и условие амплитуд выполняется только для одной частоты , определяемой параметрами схемы, то на выходе усилителя возникают гармонические колебания с частотой .