Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется такая связь между выходом и входом усилителя, при которой часть энергии полезного усиленного сигнала с его выхода подается на вход.

Обратную связь можно применять специально для повышения стабильности в работе усилителя, и тогда она является полезной. Однако, когда обратная связь возникает в результате взаимного влияния различных цепей, она может оказаться паразитной.

Различают положительную и отрицательную обратные связи. Положительную обратную связь, как правило, применяют в генераторных каскадах. В усилителях положительная обратная связь обычно является паразитной, а отрицательная применяется довольно часто.

На рис. 31 показана структурная схема усилителя с обратной связью. Напряжение обратной связи U_ос составляет часть выходного напряжения U_вых вырабатывается цепью обратной связи (ЦОС) и подается на вход усилителя вместе с напряжением сигнала U_с. Цепь обратной связи может быть выполнена в виде делителя напряжения. Обратная связь характеризуется коэффициентом обратной связи

=U_ос/U_выв.

В усилителе с отрицательной обратной связью входное напряжение U_вх определяется как разность между напряжением сигнала и напряжением обратной связи U_ос: U_вх=U_с–U_ос.

Необходимо иметь в виду, что это выражение всегда справедливо для постоянного напряжения. Для действующего значения синусоидального сигнала равенство сохраняется только при условии, что напряжения сигнала и обратной связи находятся в противофазе (в случае положительной обратной связи – в фазе).

Рис. 31. Структурная схема усилителя с обратной связью	Рис. 32. Схема усилителя с отрицательной обратной связью

Найдем выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью:

Кос=Uвых/Uс

(1)

Так как U_вх=U_с–U_ос, U_с=U_вых/K_ос согласно (1), а U_ос=U_вых, то U_вх=U_вых/K_ос–U_вых.

Отсюда U_вх=U_вых(1/K_ос–)=U_вых(1–K_осb)/K_ос или K_ос/(1–К_осb)=U_вых/U_вх. Из K_v=U_вых/U_вх имеем U_вых/U_вх=K, где K – коэффициент усиления усилителя, не охваченного обратной связью. Тогда К_ос/(1— К_осb)=К, откуда окончательно получаем

Kос=K/(1+Kb).

(2)

Анализ выражения (2) показывает, что K_ос при отрицательной обратной связи всегда меньше К. В таком случае повышается стабильность работы усилителя. Покажем это на примере.

Допустим, что усилитель с K=100 охвачен отрицательной обратной связью, а b=0,2. Тогда, согласно (2),

.

Пусть K увеличится на 10%. Новое значение

.

Таким образом, К_ос изменилось всего лишь на 1%. Физическая сущность стабилизации коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, состоит в том, что при увеличении К увеличивается напряжение обратной связи и входное напряжение падает. В то же время при уменьшении К входное напряжение увеличивается, т. е. отрицательная обратная связь автоматически поддерживает стабильность работы усилителя.

При положительной обратной связи K_ос=K/(1–bK).

В этом случае устойчивость работы усилителя ухудшается, что может привести к самовозбуждению усилительного каскада.

В заключение рассмотрим конкретную схему усилителя с отрицательной обратной связью, приведенную на рис. 32. Здесь напряжение отрицательной обратной связи снимается с резистора R₂ делителя напряжения R₁R₂. Легко убедиться в том, что обратная связь в данном случае – отрицательная. Действительно, если при изменении и, потенциал базы увеличивается, то потенциал коллектора уменьшается. Это уменьшение потенциала через цепь обратной связи передается на базу транзистора и напряжения сигнала и обратной связи оказываются в противофазе.