Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Обратная связь в усилителях

Усилители переменного тока

Электронным усилителем называется устройство, позволяющее преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе без существенного искажения их формы.

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности.

Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты. В усилителях высокой частоты усиление сигнала осуществляется в некотором диапазоне частот. По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные усилители, усиливающие электрические сигналы в узкой полосе частот, за пределами этой полосы усиление резко падает; широкополосные усилители, усиливающие электрические сигналы в очень широком диапазоне частот.

Сумма сведений, характеризующих основные свойства усилителя, называется его показателями.

К основным техническим показателям относятся:

* входные и выходные данные;
* коэффициент усиления;
* коэффициент полезного действия усилительного устройства;
* характеристики:
* частотная,
* фазовая
* амплитудная
* переходная
• искажения формы выходного сигнала:
* линейные искажения частотные, фазовые,
* нелинейные искажения

Типичный усилитель (структурная схема)

Обратная связь в усилителях

Обратной связью называют передачу всей или части энергии усиленного сигнала с выхода усилителя или отдельного каскада на вход усилителя. Обратная связь может быть внутренней, т. е. возникающей благодаря особенностям конструкции и физическим свойствам усилительных элементов, и внешней, создаваемой в схеме умышленно для придания усилителю определенных свойств и функциональных особенностей.

Обратная связь может возникнуть вопреки желанию конструктора из-за наличия в схеме паразитных связей между каскадами. Такая обратная связь называется паразитной.

Элементы схемы, создающие обратную связь, образуют цепь обратной связи. Коэффициент передачи цепи обратной связи обычно обозначается β. Цепь обратной связи совместно с частью схемы усилителя, которую она охватывает, образует петлю обратной связи, или контур обратной связи. В зависимости от числа петель обратной связи в усилителе обратная связь может быть одно- или многоконтурной.

Если напряжение U_oc обратной связи пропорционально выходному напряжению усилителя, то обратная связь такого вида называется обратной связью по напряжению (рис. 2.1). При этом можно передавать все выходное напряжение на вход схемы или только часть его, используя делитель напряжения, подключаемый параллельно нагрузке. В этом случае сопротивления резисторов делителя напряжения должны быть существенно выше сопротивления нагрузки для того, чтобы не уменьшать ток через нагрузку.

Если напряжение U_oc обратной связи пропорционально току в нагрузке усилителя, то обратная связь такого вида называется обратной связью по току (рис. 2.2). Для того, чтобы получить напряжение U_oc, нужно использовать резистор R, включаемый последовательно с нагрузкой. В таком случае сопротивление этого резистора должно быть гораздо меньше сопротивления нагрузки для того, чтобы не уменьшать напряжение на нагрузке. Кроме того, мощность этого резистора должна быть достаточной для пропускания большого выходного тока усилителя.

Кроме того, возможна комбинированная, или смешанная обратная связь, при которой напряжение обратной связи имеет составляющие, пропорциональные как напряжению на нагрузке, так и току в ней (рис. 2.3).

Для того, чтобы определить, какая обратная связь присутствует в усилительном каскаде, можно провести мысленные эксперименты, закорачивая нагрузку (режим короткого замыкания на выходе) или разрывая цепь нагрузки (режим холостого хода усилителя) и определяя, действует или нет обратная связь в данных случаях. В режиме короткого замыкания на выходе обратная связь по напряжению отсутствует, а в режиме холостого хода не действует обратная связь по току. Если же в обоих случаях сигнал обратной связи отличен от нуля, то такая обратная связь является комбинированной (смешанной).

Если выход цепи обратной связи подключается ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала, то обратная связь такого типа называется последовательной (рис. 2.4). Если же выход цепи обратной связи и источник входного сигнала подключены ко входу усилителя параллельно, то связь называют параллельной (рис. 2.5).

В случае, когда колебания источника сигнала и колебания, поступающие через цепь обратной связи, совпадают по фазе, обратная связь называется положительной, если же эти колебания находятся в противофазе — то отрицательной.В усилительных устройствах для улучшения их показателей применяется в основном отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь находит применение только в специальных типах усилителей и в генераторах.

3. Влияние отрицательной обратной связи на сопротивление усилителя

Обратная связь, в особенности отрицательная, оказывает значительное воздействие практически на все основные параметры усилителя, существенно улучшая его свойства. Уже отмечалось, что отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления усилителя, а положительная увеличивает.

Стабильность коэффициента усиления. Под действием различных внешних факторов, а также за счет временного дрейфа параметров и старения элементов усилителя значение коэффициента усиления может изменяться. Величина этого изменения оценивается коэффициентом нестабильности, который представляет собой дифференциальный параметр и учитывает влияние всех факторов. Для усилителя без обратной связи он может быть найден как:

Соответственно для усилителя с обратной связью:

Если в усилителе имеется отрицательная обратная связь, то:

откуда можно получить:

и умножив левую и правую часть на К:

Тогда:

Отношение:

показывает, что относительное изменение коэффициента усиления при наличии отрицательной обратной связи в (1+K_y) раз меньше, чем без обратной связи. Таким образом, отрицательная обратная связь оказывает стабилизирующее действие на работу усилителя, причем это воздействие тем выше, чем больше глубина обратной связи. Особо следует отметить случай, когда K_y>>1 и K_c ≈ 1/y, т.е. коэффициент усиления не зависит от изменения параметров самого усилителя и определяется только глубиной обратной связи.

Это обусловлено тем, что любое изменение коэффициента усиления сразу вызывает изменение UОС, знак которого противоположен входному напряжению. Изменение UOC происходит до тех пор, пока выходное напряжение не вернется к исходному значению, т.е. происходит его эффективная стабилизация. В целом, наличие отрицательной обратной связи позволяет получить высокую стабильность коэффициента усиления при наличии значительного разброса параметров элементов аппаратуры. 1.3.2 Полоса пропускания. За счет повышения стабильности коэффициента усиления "завалы" АЧХ в области низких и высоких частот будут значительно ослаблены. Это хорошо видно из рис. 1.9, где приведены АЧХ усилителя без обратной связи и при наличии ООС. Введение отрицательной обратной связи приводит к расширению полосы пропускания (Δf_oc >Δf),а также уменьшает частотные и фазовые искажения в (1+K_y) раз:

при этом АЧХ становится более равномерной. Следует отметить, что введения в контур обратной связи частотно-зависимых звеньев можно добиться эффективной коррекции формы АЧХ.

Рисунок 1.9 – Влияние ООС на АЧХ усилителя

Входное сопротивление. Рассмотрим усилитель с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 – Усилитель с ООС по напряжению

Входное сопротивление усилителя с ООС может быть найдено как:

Входное сопротивление без обратной связи равно:

поэтому: R_вхс=R_вх*(1+K_y) т.е. наличие последовательной отрицательной обратной связи по напряжению повышает входное сопротивление усилителя.

Рисунок 1.11- Усилитель с параллельной ОС

Напротив, параллельная обратная связь оказывает противоположное действие. Из рис. 1.11 можно записать соотношение проводимостей:

В свою очередь

Отсюда

т.е. при наличии параллельной ОС происходит снижение входного сопротивления за счет увеличения входного тока.
1.3.4 Выходное сопротивление. Рассмотрим схему рис. 1.7. Выходное сопротивление усилителя без ОС

При наличии обратной связи выходное сопротивление:

Таким образом, ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя. Напротив, при наличии ООС по току (рис.1.8) выходное сопротивление может быть найдено как: R_выхс=R_вых*(1+K_y) т.е. возрастает.
Следует отметить,что при определенных фазовых и амплитудных соотношениях в усилителе за счет отрицательной обратной связи могут возникать неустойчивые режимы работы.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒