Лекция 10 Обратная связь в усилителях

Обратная связь жизненно важна для большинства действий человека. Чтобы выполнить то или иное действие, мы должны иметь возможность видеть, что мы делаем, и вносить необходимые поправки. Другими словами, мы результат заставляем соответствовать нашим намерениям. Системы управления с использованием обратной связи, часто называют сервосистемами (буквально, ведомыми системами), и они играют важную роль в промышленной автоматике. Обратная связь широко применяется в различных электронных устройствах. Она осуществляется подачей части или всего выходного сигнала устройства обратно на его вход (Рис. 10.1).

Рис.10.1

Структурная схема усилителя с обратной связью

Структурная схема усилителя с обратной связью (Рис. 10.1) состоит из двух усилителей. Верхний усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению (в направлении с лева направо), равный

К = U_вых/ U_{вх у} .

Нижний усилитель служит для передачи выходного напряжения на вход верхнего усилителя. Нижний усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению (в направлении справа налево), равный

К_ос = U_ос/U_вых.

Коэффициент К_ос показывает, какая часть выходного напряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно К_ос < 1, поэтому вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырехполюсник. Напряжение на входе усилителя с обратной связью равно,

U_{вх у} = U_вх + U_ос = U_вх + К_ос U_вых.

Напряжение на выходе усилителя

U_вых = К(U_вх + К_ос U_вых).

Выполняя преобразования, получим

U_вых - KК_ос U_вых = U_вых(1 - KК_ос) = КU_вх.

Коэффициент усилителя охваченного обратной связью,

А = U_вых/U_вх = К/(1 - KК_ос)

.

Это соотношение является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью.

Знаменатель 1 – КК_ос может быть либо больше единицы, либо меньше единицы, либо равен единицы. В первом случае коэффициент усиления с обратной связью А уменьшается по сравнению К, во втором увеличивается по сравнению К, в третьем А = К (обратная связь отсутствует). Другими словами:

1. А > K – обратная связь положительная;

2. А < K – обратная связь отрицательная.

Отрицательная обратная связь (оос)

Обратную связь называют отрицательной, когда выходной сигнал подается обратно на вход усилителя с полярностью, противоположной полярности исходного входного сигнала. Т.е. усилитель сдвигает фазу на угол

∟(α+β) = 180⁰.

Таким образом, уравнение

А = К/(1 – КК_ос),

приобретает вид

А = К /(1 + КК_ос).

Если (как это и бывает)

КК_ос >> 1, K >> 1/К_оc

то

А = К/КК_ос = 1/К_ос.

Это самое важное соотношение. Пока коэффициент усиления усилителя без обратной связи К на много больше коэффициента усиления усилителя с обратной связью А (например в 100 раз), усиление с обратной связью не зависит от К и определяется только величиной К_ос.

Последовательное и параллельное включение обратной связи

Из определения обратная связь, есть сумма входного и сигнала обратной связи. Если две электрические величины суммируются в последовательной цепи, то эти величины являются напряжениями. Наоборот, если они суммируются в параллельной цепи, то эти величины являются токами (Рис.10.2).

Рис.10. 2

Таким образом, если сигнал обратной связи вводится последовательно, такую схему называют, последовательной обратной связью по входу, если сигнал обратной связи вводится параллельно, такую схему называют, параллельной обратной связью по входу. Напряжение обратной связи может быть получено из выходного сигнала двумя способами (Рис.10.3):

1. напряжение обратной связи снимаем с цепи, которая включена параллельно выходу. Такую схему называют параллельной по выходу;

2. напряжение обратной связи снимаем с цепи, которая включена последовательно с нагрузкой. Такую схему называют последовательной по выходу.

Рис.10.3

Если сигнал обратной связи подается параллельно входному сигналу, то величины, которые складываются, представляют собой токи, а усилитель следует рассматривать как усилитель тока.