Количественно это определяется выражением
,
(4.2)
в котором F*ПОС = 1-К* – называется сквозной возвратной разностью. В этом выражении все величины являются действительными величинами.
Из (4.2) видно, что при 0<К*<1 знаменатель будет меньше единицы и сквозной коэффициент усиления схемы К*ПОС будет больше по сравнению со сквозным коэффициентом усиления усилителя К* без ОС. Если же К*>1 , то К*ПОС= , что означает самовозбуждение схемы, то есть превращение усилителя с ПОС в генератор незатухающих колебаний, который уже не может усиливать подводимые к нему электрические сигналы. Это свойство ПОС широко используется в радиопередающих, радиоприемных и других устройствах РС, РВ и ТВ для создания автогенераторов, гетеродинов и т.п. В теории автогенераторов условия К*=0 и К*>1 называются условиями баланса фаз и амплитуд, их одновременное выполнение в схеме активного четырехполюсника с обратной связью гарантирует самовозбуждение схемы.
Что касается усилительных устройств, то в них самовозбуждение недопустимо, и поэтому ПОС в усилителях стараются устранять, а если и применяют, то в сочетании в отрицательной обратной связью, о которой пойдет речь ниже.
При К*=180 петлевое усиление в (4.1) становится действительной величиной со знаком минус К*=-К*, вектор напряжения ОС противоположен вектору ЭДС источника сигнала , что соответствует отрицательной обратной связи (ООС) и приводит к уменьшению сквозного коэффициента усиления всей схемы.
Количественно это определяется выражением
,
(4.3)
в котором все величины действительные, а F*ООС=1+К* – называется сквозной глубиной обратной связи.
Из (4.3) следует, что сквозной коэффициент усилителя с ООС К*ООС будет меньше сквозного коэффициента самого усилителя К* в сквозную глубину обратной связи. Глубина ООС всегда характеризуется числом, большим единицы. Если F*ООС=1 , то это означает, что обратной связи нет (К*=0).
Таким образом, сквозная глубина ООС показывает, во сколько раз уменьшается сквозной коэффициент усиления усилителя при включении такой обратной связи.
Эти положения справедливы при любом виде ООС.
Несмотря на уменьшение сквозного коэффициента усиления усилителя, ООС получила широчайшее применение в усилительных устройствах и других устройствах РС, РВ и ТВ, так как улучшает все остальные показатели усилителей, рассмотренные раньше в предыдущей главе (см. главу 3). Что касается уменьшения коэффициента усиления усилителя, вызываемого введением ООС, то оно может быть легко скомпенсировано введением дополнительного предварительного каскада усиления.
Отрицательную обратную связь вводят обычно с помощью частотно-независимой -цепи ( – величина действительная) и она остается “чисто” отрицательной в основной части диапазона рабочих частот усилителя и только на краях полосы пропускания усилителя из-за влияния реактивных элементов и УЭ усилителя может превратиться в отрицательно-комплексную (при этом несколько изменяются угол К*, отклоняясь от значения 180, и модуль К*, обычно уменьшаясь). Отрицательно-комплексную обратную связь можно ввести и целенаправленно в полосе пропускания усилителя с помощью частотно-зависимой -цепи ( - величина комплексная), что нередко и делают на практике в определенных целях, о которых будет говориться дальше.
В этих случаях выражения для сквозной глубины отрицательной обратной связи и сквозного коэффициента усиления записывают в комплексном виде:
;
.
(4.4)
Обратную связь классифицируют по способам подключения цепи ОС к выходу и входу усилительного тракта.
По способу подключения цепи ОС к выходу усилительного тракта (иначе говоря, по способу снятия ОС с выхода усилительного тракта) различают последовательную, параллельную и комбинированную по выходу ОС.
На рис.4.3,а,б,в приведены фрагменты реальной (двухпроводной) структурной схемы усилителя, иллюстрирующие эти способы снятия ОС с выхода усилительного тракта.
Iвых
При
последовательной по выходу ОС (рис.4.3,а)
цепь ОС подключается к выходу усилительного
тракта последовательно с нагрузкой
(Zн).
При этом напряжение ОС UОС
пропорционально току в нагрузке Iвых.
Поэтому последовательную по выходу ОС
называют ОС по току. Если в схеме рис.
4.3,а, пренебречь возможным влиянием
реактивных составляющих сопротивлений
и считать Zн=Rн,
Iвых=Iвых,
Uвых=Uвых,
что будет справедливым для области
средних частот полосы пропускания
усилителя, то UОСт=IвыхR
и
будут действительными величинами, не
зависящими от частоты.
При параллельной по выходу ОС (рис.4.3,б) цепь ОС подключается параллельно сопротивлению нагрузки (Zн). При этом напряжение ОС UОС пропорционально выходному напряжению усилителя Uвых . Поэтому параллельную по выходу ОС называют ОС по напряжению.
Для области средних частот полосы пропускания усилителя, где влиянием реактивных составляющих сопротивлений можно пренебречь, в схеме рис. 4.3,б будут справедливы следующие соотношения:
;
.
Комбинированная (смешанная) по выходу ОС (рис.4.3,в) объединяет в себе два предыдущих способа снятия ОС с выхода усилительного тракта. При этом напряжение ОС содержит две составляющие, одна из которых пропорциональная выходному току Iвых, а другая пропорциональная выходному напряжению Uвых: UОС=UОСт+UОСн . Для области средних частот в схеме рис.4.3,в будут справедливы соотношения:
UОС=UОСт+UОСн=IвыхR+IОСR2=
;
.
В приведенных выше соотношениях предполагалось, что возможное шунтирующее влияние элементов входных цепей на R (в схеме рис. 4.3,а), на R2 (в схеме рис. 4.3,б) и на R2+R (в схеме рис. 4.3,в) было пренебрежимо мало. В противном случае это шунтирование должно быть учтено.
Следует также отметить, что в схемах рис.4.3,а,б,в необходимо выполнять условия R<<Rн и (R1+R2)>>Rн, чтобы свести к минимуму потери мощности сигнала в цепях ОС (в -цепях).
Для определения способа снятия ОС с выхода усилительного тракта проделывают мысленно опыты х.х. и к.з. по сигналу на выходе усилительного тракта (по отношению к Zн). Если ОС исчезает при х.х. на выходе (Zн = ), то в схеме действует ОС по току. Если ОС исчезает при к.з. на выходе (Zн = 0), то в схеме действует ОС по напряжению. Если ОС не исчезают полностью при х.х. и к.з. на выходе (при Zн = и при Zн=0), то в схеме действует комбинированная (смешанная) по выходу ОС.
По способу подключения цепи ОС ко входной цепи усилительного тракта или, иначе говоря, по способу введения (подачи) ОС на вход усилительного тракта различают последовательную, параллельную и комбинированную (смешанную или, иначе, последовательно-параллельную) по входу ОС.
На рис. 4.4,а,б,в приведены фрагменты реальной (двухпроводной) структурной схемы усилителя, иллюстрирующие эти способы введения (подачи) ОС во входную цепь усилительного тракта.
a)
б)
Iвх
Zист
Iвх
Zистт
Iвх
Zист
Uос11
К
Uвх
К
Uвх
К
Uос2
U
Еист
Еист
Еист
в)
Uос
Uос
Uос
Рис. 4.4
При последовательной по входу ОС (рис.4.4,а) выход цепи ОС подключается последовательно с источником сигнала относительно входа усилителя. При этом напряжение ОС UОС действует последовательно с Еист относительно входа усилителя.
При параллельной по входу ОС (рис.4.4,б) выход цепи ОС подключается параллельно входу усилителя. При этом напряжение ОС действует параллельно относительно входа усилителя.
Комбинированная (последовательно-параллельная) по входу ОС (рис.4.4,в) объединяет в себе последовательную и параллельную по входу ОС. При этом напряжение ОС содержит две составляющие, одна из которых UОС1 действует относительно входа усилителя последовательно с Еист, а другая UОС2 – параллельно входу усилителя: UОС=UОС1+UОС2
Следует отметить, что во всех вариантах выходное сопротивление цепи ОС должно быть таким, чтобы потери энергии сигнала, поступающего от источника сигнала, в этом сопротивлении были минимальными.
Для распознавания способа введения ОС во входную цепь усилителя проделывают мысленно опыты х.х. и к.з. по отношению к источнику сигнала. Если ОС исчезает при обрыве цепи источника сигнала, то есть при Zист= (х.х.), то в схеме действует последовательная по входу ОС. Если ОС исчезает при коротком замыкании источника сигнала, то есть при Zист=0(к.з.), то в схеме действует параллельная по входу ОС. Если же ОС не исчезает полностью при обрыве и коротком замыкании источника сигнала (Zн = и Zн=0), то в схеме действует комбинированная по входу ОС.
От способов подключения цепи ОС к выходу и входу усилительного тракта зависит характер влияния ОС на некоторые показатели усилителя. Поэтому необходимо точно знать, какая ОС действует в реальной схеме.
С учетом рассмотренных выше трех способов снятия ОС с выхода усилителя и трех способов подачи ОС на вход усилителя может быть девять видов ОС, из которых наиболее часто применяются:
ОС последовательная по входу и параллельная по выходу (сокращенно, последовательная ОС по напряжению);
ОС последовательная по входу и последовательная по выходу (сокращенно, последовательная ОС по току);
ОС параллельная по входу и параллельная по выходу (сокращенно, параллельная ОС по напряжению);
ОС параллельная по входу и последовательная по выходу (сокращенно, параллельная ОС по току).