Влияние обратной связи на выходное сопротивление усилителя
Характер изменения выходного сопротивления усилителя определяется способом подключения цепи обратной связи к выходу усилителя и не зависит от способа заведения напряжения обратной связи на его вход.
В случае обратной связи по напряжению выходное сопротивление определяется соотношением
.
(2.21)
При отрицательной обратной связи , поэтому
.
Таким образом,
отрицательная обратная связь по
напряжению уменьшает выходное
сопротивление усилителя в
раз.
Указанная закономерность имеет следующее физическое объяснение. Если в усилителе с отрицательной обратной связью по напряжению увеличить сопротивление нагрузки, то это приведет к росту выходного напряжения. Поэтому возрастет напряжение обратной связи, что вызывает уменьшение коэффициента усиления по напряжению. В итоге скорость роста напряжения на выходе усилителя падает. Итак, при увеличении сопротивления нагрузки выходное напряжение усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, растет медленнее, чем при отсутствии отрицательной обратной связи. Это эквивалентно уменьшению выходного сопротивления устройства.
Положительная
обратная связь по напряжению, как
следует из выражения (2.21), в зависимости
от величины
может увеличить выходное сопротивление,
сделать его бесконечно большим или
даже отрицательным.
В случае обратной связи по току выходное сопротивление усилителя определяется выражением
.
(2.22)
Если обратная связь отрицательная, то , поэтому
.
(2.23)
Итак, отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя в раз.
Рассмотрим физическую сторону выражения (2.23). Если в усилителе, содержащем отрицательную обратную связь по току, увеличить сопротивление нагрузки, то ток в выходной цепи уменьшится. Это приведет к уменьшению напряжения обратной связи, что в свою очередь вызовет увеличение скорости роста выходного напряжения. Итак, при увеличении сопротивления нагрузки напряжение на выходе усилителя с отрицательной обратной связью по току растет быстрее, чем в усилителе без обратной связи. Значит, выходное сопротивление усилителя при введении отрицательной обратной связи по току возрастает.
Как следует из выражения (2.22), введение в усилитель положительной обратной связи по току может уменьшить выходное сопротивление, сделать равным нулю или даже отрицательным.
Влияние отрицательной обратной связи на частотную, фазовую и переходную характеристики
Зависимость коэффициента усиления усилителя с ООС в области нижних частот имеет вид
,
(2.24)
где
;
(2.25)
.
Итак, введение
отрицательной обратной связи привело
к увеличению постоянной времени каскада
в области нижних частот в
раз. Это повлекло за собой уменьшение
нижней граничной частоты усилителя в
раз.
Зависимость коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в области верхних частот принимает вид
,
(2.26)
где
,
(2.27)
.
Итак, постоянная времени усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, уменьшилась на верхних частотах в раз по сравнению с усилителем без обратной связи. Значит, верхняя граничная частота возросла в раз.
Физически расширение
полосы пропускания усилителя при
введении отрицательной обратной связи
можно объяснить так. В области средних
частот усиление, как известно,
максимальное. Поэтому выходное
напряжение, а значит, и напряжение
обратной связи имеют наибольшие значения
амплитуд. По мере перехода в область
нижних или верхних частот напряжение
на выходе уменьшается, что ведет к
снижению и напряжения обратной связи.
Так как вектор последнего сдвинут по
фазе на
относительно вектора сигнала генератора,
то результирующее напряжение на нижних
и верхних частотах, приложенное к
входным зажимам усилительного элемента,
возрастает относительно значения
напряжения на средних частотах. В
результате скорость спада выходного
напряжения усилителя с отрицательной
обратной связью уменьшается по сравнению
с усилителем без обратной связи. В итоге
частотная характеристика улучшается.
Отрицательная
обратная связь улучшает также фазовую
характеристику усилителя. Так, например,
в резисторном каскаде усиления в
соответствии с выражением
фазовый сдвиг, вносимый усилителем в
области нижних частот, тем меньше, чем
больше постоянная времени каскада. А
из выражения (2.25) следует, что введение
отрицательной обратной связи приводит
к росту постоянной времени в области
нижних частот в
раз.
Введение отрицательной обратной связи приводит также к улучшению переходной характеристики (ПХ) усилителя. Идеальная переходная характеристика описывается нулевым значением времени фронта (рис.2.9) в области малых времён и отсутствием спада ПХ в области больших времён (рис. 2.8). Улучшение переходной характеристики усилителя характеризуется, во первых, уменьшением времени фронта ПХ в области малых времён (рис.2.9) за счёт увеличения верхней граничной частоты (2.13 с учётом 2.27), а, во вторых, уменьшением спада ПХ в области больших времён (рис. 2.8) за счёт снижения нижней граничной частоты (2.5 с учётом 2.25). Физически это объясняется тем, что при введении в усилитель напряжения отрицательной обратной связи спектральные составляющие, расположенные в области нижних и верхних частот, искажаются меньше, так как полоса пропускания усилителя, охваченного оос, становится шире.