Вопрос 43 обратные связи в схемах усилителей

В схемах усилителей широко применяются различные обратные связи. Под обратной связью понимается передача сигнала с выхода усилителя на его вход. Такая передача сигнала существует в любых усилителях, даже если ее не создают искусственным путем. Она обусловлена наличием емкостных, индуктивных и гальванических связей в схемах усилителей.

На рис. 1.8 приведена структурная схема усилителя с обратной связью. Выходной сигнал усилителя 1 (в виде напряжения Uвых или тока Iвых) через цепь обратной связи 2 частично или полностью поступает к точке сравнения. В ней происходит сложение (или вычитание) входного сигнала Uвх или Iвх и сигнала обратной связи Uос. или Iос. Таким образом, на вход усилителя будет поступать сигнал, равный разности или сумме входного сигнала и сигнала обратной связи.

В качестве цепей обратной связи обычно используют пассивные цепи, коэффициенты преобразования и частотные характеристики которых существенно влияют на свойства усилителя.

Обратную связь (ОС) называют отрицательной (ООС), сигнал, пришедший по цепи ОС имеет противоположную фазу с входным сигналом (т.е. сигнал ОС вычитается из входного сигнала). Отрицательная обратная связь приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя.

Положительная обратная связь (ПОС) – это связь, при которой сигнал ОС совпадает по фазе с входным сигналом и суммируется с ним. Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления усилителя.

В зависимости от схемной реализации усилителя ОС может быть введена по постоянному току или постоянному напряжению, по переменному току или переменному напряжению, а также как по постоянному, так и по переменному току или напряжению.

С выхода усилителя сигнал можно снимать пропорционально как выходному напряжению, так и выходному току (рис. 1.9). В соответствии с этим различают ОС по напряжению, обратную связь по току и комбинированную ОС, в которой сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току в выходной цепи усилителя.

Наибольшее распространение в усилительных устройствах предварительного усиления находит применение ОС по току и ОС по напряжению. Комбинированная ОС наиболее широко применяется в выходных каскадах усилителей мощности.

По способу введения сигнала обратной связи во входную цепь различают: последовательную схему введения ОС, параллельную и смешанную (рис. 1.10 ).

В последовательной схеме введения ОС на входе усилителя происходит суммирование входного напряжения и напряжения ОС, в параллельной — суммирование входного тока и тока ОС, в смешанной схеме введения ОС с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС.

1.6.1. Последовательная обратная связь по напряжению

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению приведена на рис. 1.11. В этой схеме усилитель без ОС имеет коэффициент усиления по напряжению, равный К. Величина βос является коэффициентом передачи цепи ОС и показывает, какая часть выходного сигнала поступает обратно на вход.

Определим коэффициент усиления усилителя с ООС.

Коэффициент усиления что с ОС, что без нее, считается по единой формуле :

К = Uвых/Uвх

Кос = Uвых/Uвх.

Но результаты c ОС и без ОС будут различными.

Для простоты и наглядности будем считать, что фазовые сдвиги в цепях усилителя и обратной связи отсутствуют.

Пусть К – коэффициент усиления усилителя при отсутствии цепи обратной связи. U1 – напряжение непосредственно на клеммах усилителя. Соответственно, при замыкании выхода цепи ОС (Uос = 0), Uвых = КU1 = КUвх

При подаче напряжения ОС во входную цепь напряжение U1 = Uвх – βосUвых. Знак минус здесь появляется вследствие того, что обратная связь является отрицательной. Таким образом, имеем

Uвых = КU1

Uвых =К(Uвх – βосUвых).

Отсюда находим

В выражении (1.1) произведение βосК называется петлевым усилением, а 1+βосК — глубиной ОС.

Из формулы 1.1 видно, что отрицательная ОС уменьшает значение коэффициента усиления усилителя.

Определим коэффициент усиления усилителя с ПОС. В случае положительной ОС знаки в формулах меняются на противоположные.

U1 = Uвх + βосUвых

Выражение для Кос при наличии ПОС имеет вид

Положительная ОС увеличивает значение коэффициента усиления усилителя. Значение петлевого усиления при положительной ОС βосК в усилителе должно быть меньше единицы..

Если βосК станет большим либо равным единице, усилитель потеряет устойчивость и превращается в автогенератор.

В усилительных устройствах в основном применяется ООС. Применение OOС в усилителях обеспечивает повышение стабильности коэффициента усиления при смене активных компонентов, изменении напряжения питания, температуры окружающей среды и т.д., расширения полосы пропускания усилителя; уменьшения фазового сдвига между выходным и входным напряжениями; снижением уровня нелинейных искажений и т.д.

последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя.

ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя

Обратная связь по току

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току приведена на рис. 1.14. Усилительный каскад представлен в виде четырехполюсника с крутизной S = Iвых /Uвх.

Запишем выражение для входной цепи

U1 = Uвх – Uос = Uвх – Iвых Rос

Разделим обе части равенства на Iвых и, сделав простые преобразования, получим, что

Для последовательной OOС по току справедливы почти все соотношения, что и для OOС по напряжению. Так, последовательная OOС по току увеличивает входное сопротивление:

Rвх ос=Rвх(1+SRос);

Также она расширяет частотную характеристику усилителя, уменьшает фазовые искажения, увеличивает стабильность крутизны:

В отличие от OOС по напряжение OOС по току увеличивает выходное сопротивление усилителя.

Rвых ос =Rвых(1+SRос).

Действительно, с увеличением выходного тока при постоянном значении входного сигнала происходит уменьшение напряжения U1. В результате ток в выходной цепи остается практически постоянным. Это эквивалентно тому, что в выходной цепи усилителя с OOС по току включен источник тока, ток которого мало изменяется с изменением нагрузки.