 |
Обратные связи в усилителях
|
|
|
|
Конструирование различных электронных устройств на основе ОУ производится с использованием обратных связей. Обратной связью (ОС) называется передача части энергии выходного сигнала усилителя на его вход (см. рис. 2.20).
| 
|
| Рис.2.20. Усилитель с обратными связями | Рис. 2.21. Операционный усилитель отрицательной ОС |
Из выходной цепи во входную блок-схемы рис.2.20 энергия передается через электрическую цепь обратной связи с коэффициентом передачи 
, где K0 – коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Обратная связь называется положительной, если передаваемый ею с выхода на вход сигнал Uос совпадает по фазе и складывается с входным сигналом Uвх (на рис.2.20 положительная обратная связь обозначена b+). Обратная связь называется отрицательной, если сигнал обратной связи Uос находится в противофазе и вычитается с входным сигналом Uвх (на рис.2.20 отрицательная обратная связь обозначена b-). Коэффициент усиления усилителя Кb+ с положительной ОС определяется выражением 
, при отрицательной ОС - 
. Применение отрицательной ОС в усилителях существенно улучшает их параметры: повышает стабильность коэффициента усиления, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление, расширяется полоса пропускания. Поэтому отрицательная ОС широко применяется для конструирования новых усилительных устройств. Положительная ОС воздействует на параметры усилителей противоположным образом, т. е. увеличивает нестабильность коэффициента усиления и может привести к самовозбуждению усилителя, т. е. переходу его в режим генератора электрических сигналов. Поэтому положительная ОС в усилительных устройствах практически не используется, а используется в генераторах.
|
|
|
Операционный усилитель
Операционный усилитель с отрицательной обратной связью наиболее часто применяется на практике (см. рис.2.21). Отрицательный характер ОС обусловлен подачей U1 на инвертирующий вход ОУ, так что Uвых = - K0U1. Отрицательная обратная связь осуществляется через сопротивления 
и 
.
Т. к. входное сопротивление ОУ больше (принимает 
), то входной ток ОУ Iоу=0 и выполняется Iвх=Iос, откуда: 
.
При большом коэффициенте усиления ОУ (К0® 
) напряжение на входе ОУ 
и поэтому 
откуда 
(1)
Инвертирующий усилитель (инвертатор). При 
и 
выражение (1) примет вид 
(Uвых = - Uвх), схема принимает вид инвертирующего повторителя напряжения.
Масштабный усилитель. При и 
выражение (1) примет вид 
, а усилитель выполняет роль масштабного инвертирующего
усилителя: Uвых = - Кb-Uвх.
а
б
с
|
| Рис. 2.22. Усилители: а – суммирующий, б – интегрирующий, в - дифференцирующий |
Суммирующий усилитель (сумматор). Если на вход ОУ подается несколько входных напряжений Uвх1, Uвх2, Uвх3, а R1 = R2 (рис.2.22а), то выражение (1) примет вид . Усилитель выполняет роль сумматора, т. к.
Uвых = -(Uвх1 + Uвх2 + Uвх3). Интегрирующий усилитель. При 
и 
получается интегрирующий усилитель (рис.2.20б), у которого коэффициент усиления 
, что
соответствует операции интегрирования 
в комплексной форме записи, где
t=CR1 – постоянная
интегрирования, задающая
масштаб интегрирования по
времени. Соответственно
в временной форме записи имеем
.
Дифференцирующий усилитель. При 
и получается дифференцирующий усилитель (см. рис.2.22в), у которого коэффициент усиления: 
,
что соответствует операции дифференцирования входного сигнала 
в комплексной форме записи, где t=CR2 постоянная времени дифференцирования Соответственно во временной форме записи имеем 
Избирательный усилитель
Рассмотренные выше схемы усилителей предназначены для усиления входных сигналов в широкой полосе частот.
|
|
|
| 
|
| Рис.2.23. Схема избирательного усилителя с Т-мостом | Рис.2.24. АЧХ Т-моста |
На практике в системах связи и радиопередачи, во многих системах автоматического контроля и управления необходимо усиливать полезный сигналодной частоты ƒ0, так чтобы сигналы других частот не усиливались. Такую задачу решает избирательный усилитель, представляющий собой, например, ОУ, охваченный частотно-зависимой отрицательной обратной связью в виде двойного Т-образного моста (рис.2.23). Амплитудно-частотная характеристика Т-образного моста 
приведена на рис.2.24. На низких частотах ƒ®0 коэффициент передачи моста b®1, т. к. сопротивление Хс конденсаторов становится большим и все напряжение Uвых через «верхний» одинарный мост R, 2C, R передается на вход ОУ в виде напряжения обратной связи Uос. На высоких частотах ƒ® ,b®1 вследствие того, что сопротивления конденсаторов Хс =1/2pfC становятся небольшими, и все выходное напряжение через «нижний» одинарный Т-мост С, R/2, С передается на вход ОУ. На резонансной частоте ƒ0 =1/2pRC коэффициент передачи моста b ®0.
Коэффициент усиления Кβ_ с двойным Т-мостом в цепи отрицательной обратной связи известен Кβ_ = 
Анализ этого выражения показывает, что на низких ƒ ® 0 и высоких ƒ ® частотах при b_ ®1 Кβ_ = 
≈ 1, а на резонансной частоте ƒ0 (при b_ = 0)
Кβ_ = К0 >> 1.
Амплитудно-частотная характеристика Кβ_ =F(ƒ) избирательного усилителя с Т-мостом в цепи обратной связи приведена на рис.2.25. Она построена с учетом выражения для Кβ_ и амплитудно-частотной характеристики Т-моста. Нужная величина К0 обеспечивается правильным выбором номиналов резисторов R2 и R1 так, что К0= R2 / R1.
| 
|
| Рис.2.25. АЧХ избирательного усилителя с Т-мостом | Рис. 2.26. Блок-схема генератора |
|
|
|
