3.2.3. Зворотний зв’язок в підсилювачах.

Зворотний зв’язок в підсилювачах має місце тоді, коли весь сигнал або частина сигналу, що утворюється на виході підсилювача або окремого каскаду, передається на його вхід. Така передача може бути зумовленою:

• фізичними властивостями і конструктивними особливостями транзисторів (зворотний зв’язок, що принципово властивий активним елементам схеми, називається внутрішнім зворотним зв’язком);

• невдалим розташуванням і монтажем підсилювальних каскадів, коли паразитні ємнісні і індуктивні зв’язки створюють шлях для передачі сигналу з виходу на вхід (такі і взагалі будь-які зворотні зв’язки, що виникають всупереч бажанню конструктора, називають паразитними);

• спеціальними колами, коли шлях для передачі частини сигналу з виходу підсилювача на його вхід навмисно створюється конструктором, щоб надати пристрою потрібні властивості. Такий зворотний зв’язок називають зовнішнім зворотним зв’язком.

При зворотному зв’язку результуючий сигнал на вході підсилювача складається з корисного сигналу від джерела і сигналу, що надходить з виходу підсилювача по колам зворотного зв’язку. Якщо при цьому сигнал, що передається на вхід з виходу співпадає за фазою з вхідним сигналом від джерела і результуючий сигнал збільшується, то зворотний зв’язок називається позитивним (додатним), в іншому випадку – негативним (від’ємним). Практично збігання або протилежність фаз можлива тільки в обмеженому діапазоні частот, оскільки фазові викривлення змінюються із зміною частоти. Отже зворотний зв’язок, від’ємний для одних частот, може перетворитись на додатний для інших. Коефіцієнт передачі кола зворотного зв’язку – β = U_зз/U_вих, де U_зз – частина вихідної напруги U_вих, що передається на вхід підсилювача¹.

За допомогою зворотного зв’язку потрібного знаку початкові властивості підсилювача можна радикально змінювати. Зокрема, для покращання показників самих підсилювачів застосовується від’ємний зворотний зв’язок.

а) б)

Рис. 3.19.

Підсилювач, що охоплений зворотним зв’язком (а) і розгорнута схема підсилювача з від’ємним зворотним зв’язком (б) показана на рис. 3.19. Підсилювач, що охоплений зворотним зв’язком, можна уявити як власне підсилювач (без зворотного зв’язку) з коефіцієнтом підсилення К і чотирьохполюсник зворотного зв’язку, який має коефіцієнт передачі кола зворотного зв’язку β (рис. 3.19-а). Вони утворюють коло, яке називають петлею зворотного зв’язку.

Добуток βК називається коефіцієнтом зворотного зв’язку.

Визначимо зв’язок між коефіцієнтом передачі кола зворотного зв’язку β, коефіцієнтом підсилення безпосередньо підсилювача К і коефіцієнтом підсилення підсилювача із від’ємним зворотним зв’язком K_β.

На рис. 3.19-б показана розгорнута схема підсилювача із від’ємним зворотним зв’язком за напругою. Для цієї схеми справедливі співвідношення:

або .

Підставляючи наведені величини у вираз для K_β, отримаємо наступне:

Проаналізуємо отриману формулу.

Якщо βК = 0, зворотний зв’язок в підсилювачі відсутній, тобто K_β = К.

При βК > 0 виникає від’ємний зворотний зв’язок. Він знижує загальний коефіцієнт підсилювача K_β і покращує всі його характеристики, зокрема знижує власні завади.

При βК < 0 буде додатний зворотний зв’язок. В цьому випадку погіршуються всі характеристики підсилювача як такого і збільшуються коефіцієнт підсилення підсилювача.

Якщо βК = –1, зворотний зв’язок в підсилювачі буде критичний, K_β → ∞ і підсилювач втрачає властивості підсилювача і набуває нову властивість генератора.

Розглядаючи власне підсилювач і зворотний зв’язок як два чотирьохполюсника, можна визначити схеми їх з’єднання відносно входу і виходу підсилювача: послідовна, паралельна, послідовно-паралельна і паралельно-послідовна.

Види зворотного зв’язку:

Рис. 3.20.

Послідовний зворотний зв’язок за струмом. Схематично послідовне з’єднання безпосередньо підсилювача і кола зворотного зв’язку (β-кола) показано на рис. 3.20 (послідовне з’єднання безпосередньо підсилювача і β-кола). Джерело вхідного сигналу, вхід безпосередньо підсилювача і вихід β-кола утворюють послідовне коло і, отже, напруга сигналу U'_вх, що надходить на вхід безпосередньо підсилювача дорівнює алгебраїчній сумі напруги вхідного сигналу U_вх і напруги, що утворюється колом зворотного зв’язку U_зз. Вихід безпосередньо підсилювача, навантаження R_н і вхід β-кола також включені послідовно, і по цьому колу протікає струм І_вих, від якого залежить напруга U_зз. При R_н = ∞, коли І_вих = 0, U_зз = 0, тобто зворотний зв’язок зникає.

Паралельний зворотний зв’язок за напругою. Такий зворотний зв’язок показаний на рис. 3.21 (паралельне з’єднання безпосередньо підсилювача і β-кола).

Рис. 3.21.

Коло джерела вхідного сигналу, вхідні клеми безпосередньо підсилювача і вихідні клеми β-кола з’єднані також паралельно. В цьому випадку струм, що надходить на вхід безпосередньо підсилювача , дорівнює алгебраїчній сумі струму підсилюємого сигналу І_вх і струму зворотного зв’язку І_зз. Вихід безпосередньо підсилювача, опір навантаження і вхід β-кола з’єднані паралельно, тому струм І_зз залежить від вихідної напруги U_вих і при закорочуванні навантаження (z_н = 0) падає до нуля.

Послідовний зворотний зв’язок за напругою. На рис. 3.22 наведена схема з’єднання безпосередньо підсилювача і β-кола, при якому напруги U_зз і U_вх включаються у вхідне коло безпосередньо підсилювача послідовно (послідовно-паралельне з’єднання безпосередньо підсилювача і β-кола), а вихідне коло безпосередньо підсилювача, вхід β-кола і навантаження Z_н з’єднані паралельно. При цьому U_зз залежить від вихідної напруги U_вих.

Рис. 3.22.

Паралельний зворотний зв’язок за струмом. На рис. 3.23 показана схема паралельно-послідовного з’єднання безпосередньо підсилювача і β-кола. Струм, що надходить на вхід безпосередньо підсилювача , складається із струму І_вх від джерела вхідного сигналу та струму зворотного зв’язку І_зз (з відповідним знаком), оскільки вхідні клеми безпосередньо підсилювача і вихідні клеми β-кола з’єднані паралельно. Вихід безпосередньо підсилювача, вхід β-кола і навантаження Z_н включені послідовно, в по цьому колу протікає струм І_вих. Отже, в цьому випадку величина І_зз визначається вихідним струмом безпосередньо підсилювача І_вих.

Рис. 3.23.

Приклади схемної реалізації β-кіл наведені на рис. 3.24.

Так на рис. 3.24-а показане утворення зворотного зв’язку за струмом. Вихідний струм, що проходить крім опора навантаження z_н ще і через опір z₁, створює на ньому падіння напруги, яке і є напругою U_зз. На рис. 3.24-б до послідовно з’єднаних опорів z₁ і z₂ прикладається вихідна напруга. Значення напруги зворотного зв’язку U_зз визначається співвідношенням опорів z₁ і z₂. На основі цих типових видів зворотного зв’язку можна створювати мішані види, наприклад, коли U_зз залежить і від вихідного струму, і від вихідної напруги (рис. 3.24-в).

а) б) в)

Рис. 3.24.