 |
Элементы обратной связи в усилителях.
|
|
|
|
В усилителе принципиально всегда существует внутренняя паразитная обратная связь (ОС), обусловленная физическими процессами, протекающими в усилительном элементе вследствие его не идеальности (наличие межэлектродных емкостей и т.д.). Внешние реактивные элементы – емкости и индуктивности – также способствуют возникновению паразитной ОС в усилителях. Внешняя и внутренняя паразитные ОС приводят к ухудшению различных параметров и нарушениям работы усилителя. Однако, часто с помощью специально введенной обратной связи удается существенно улучшить параметры и характеристики усилителя. Простейший принцип введения “полезной” обратной связи был рассмотрен при анализе усилительного каскада с ОЭ и термостабилизацией.
В структурную схему устройства с обратной связью (рис. 3.15) входит собственно усилитель с частотным коэффициентом передачи 
и цепь (петля, кольцо) ОС с коэффициентом передачи 
.
В общем случае параметры К(ω) и β(ω) (с точками вверху) – величины комплексные, позволяющие учесть возможный фазовый сдвиг в усилителе и цепи ОС из-за наличия реактивных элементов.
Как правило, усилители с ОС функционируют в рабочей полосе частот, где влиянием паразитных обратных связей можно пренебречь. В этом случае вместо частотного коэффициента передачи К(ω) и коэффициента передачи петли ОС β(ω) используют вещественные коэффициент усиления по напряжению К и β (в теории усилителей с ОС коэффициент усиления усилителя 
обозначают буквой К). Токи и напряжения в рабочей полосе частот также являются вещественными величинами.
В схемах усилителей применяются или могут самопроизвольно возникать различные виды обратных связей. На рис. 3.16 приведены структурные схемы усилителей с наиболее распространенными (классическими) видами обратных связей.
|
|
|
В зависимости от метода получения сигнала ОС различают: - обратную связь по напряжению, когда сигнал ОС пропорционален выходному напряжению; - обратную связь по току, если сигнал ОС пропорционален току выходной цепи.
-комбинированная обратная связь, когда сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.
По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают: - последовательную обратную связь при включении цепи ОС последовательно с источником усиливаемого сигнала;
- параллельную обратную связь, если цепь ОС включена параллельно ему. Используется также и комбинированная обратная связь, обусловленная как последовательной, так и параллельной ОС.
Рис. 3.16. Виды обратной связи в усилителях:
а – последовательная по напряжению; б – последовательная по току; в – параллельная по напряжению; г – параллельная по току
В приведенных схемах усилителей с обратной связью указаны следующие расчетные параметры:
Uо – напряжение на входе собственно усилителя;
Uос – напряжение ОС; К=Uвых/Uо – коэффициент усиления усилителя без ОС;
β=Uос/Uвых – коэффициент передачи петли ОС.
Оценим влияние обратной связи на параметры усилителя с последовательной ОС по напряжению (рис. 3.16, а).
Введем параметр – коэффициент усиления усилителя с обратной связью 
.
Напряжение на входе собственно усилителя определяется по закону Кирхгофа для замкнутого контура следующей суммой:
. (3.31)
Обе части формулы (3.31) поделим на Uвых
. (3.32)
и запишем это выражение через введенные коэффициенты:
, (3.33)
откуда найдем коэффициент усиления усилителя с ОС
. (3.34)
Параметр Кβ = Uос/Uо определяет фактор обратной связи, или коэффициент усиления разомкнутого кольца обратной связи (для схемы рис. 3.16а кольцо ОС будет разомкнуто, если разорвана цепь напряжения обратной связи Uoc.). Величина 1- Кβ носит название глубины обратной связи.
|
|
|
Как следует из (3.34), при значениях 0 < Кβ < 1 коэффициент усиления усилителя с ОС Кос становится больше коэффициента усиления собственно усилителя К. Это соответствует положительной обратной связи (ПОС), при которой напряжение обратной связи Uос поступает на вход усилителя в фазе с входным UBX, вследствие чего Uo=UBX+ Uoc. Значение Kβ = 1 характеризует условие самовозбуждения усилителя, когда он превращается в автогенератор электрических колебаний широкого спектра частот, независимых от частоты входного сигнала.
Когда напряжение ОС находится в противофазе с входным, формула (3.31) запишется так: Uo = Uвх - Uoc. В этом случае нетрудно показать, что
. (3.35)
т.е. коэффициент усиления усилителя при введении подобной ОС снижается в (1+ Кβ)раз. Такая обратная связь в усилителях называется отрицательной (ООС).
Влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя с ОС иллюстрируется с помощью графика (рис. 3.17), на котором можно выделить три характерные области.
1. Фактор обратной связи Кβ<<-1; | Кβ | >> 1; β<0. Тогда выражение (3.34) примет вид:
. (3.36)
Это соответствует глубокой (или 100 %-ной) ООС, при которой коэффициент усиления Кос определяется только величиной β и не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя К. Данное свойство ООС широко используется в усилительной технике. Действительно, при стабильном значении β изменение К в несколько раз практически не изменяет коэффициент усиления усилителя с ООС Кос. Это позволяет выпускать узлы современной радиотехнической аппаратуры с одинаковыми параметрами даже при значительных разбросах величины коэффициента усиления собственно усилителя.
2. Кβ=0; β =0; Кос =К. Это соответствует отсутствию ОС.
3. Кβ→1; β >0; Кос =К/0→ 
. Бесконечная величина коэффициента Кос означает, что усилитель превращается в автогенератор электрических колебаний.
Оценим влияние отрицательной обратной связи на стабильность (неизменность) коэффициента усиления усилителя. Для этого продифференцируем уравнение (3.35) по параметру К:
.
Перегруппировав переменные и поделив на (3.35), получим
|
|
|
. (3.37)
Выражение (3.37) показывает, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ООС в 1+ Кβ раз меньше относительного изменения коэффициента усиления К собственно усилителя. Если, например, относительное изменение коэффициента усиления усилителя dK/K=30% и величина 1+ Кβ =300, то относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ООС составит dКос/ Кос=0,1%.
Итак, усилитель с ООС характеризуется существенно более высокой стабильностью работы. Однако повышение стабильности работы усилителя с ООС в 1+ Кβ раз во столько же раз уменьшает его коэффициент усиления.
Покажем, что ООС оказывает существенное влияние и на входное сопротивление усилителя 
. Проанализируем параметры усилителя с последовательной ООС по напряжению (см. рис. 3.16,а), при которой 
. Разделив члены этого уравнения на 
, определим входное сопротивление усилителя с ООС:
(3.38)
Аналогично можно показать, что выходное сопротивление
. (3.39)
Из этих формул следует, что в усилителе с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению входное сопротивление каскада увеличивается в 1+ Кβ раз и во столько же раз уменьшается его выходное сопротивление.
Пример. 3.3. Пусть задана схема усилительного каскада с сопротивлениями 
. 
и коэффициентом усиления по напряжению К =50. Как изменятся эти параметры при введении в данный усилительный каскад цепи последовательной ООС по напряжению (см. рис. 3.16,а) с коэффициентом передачи цепи ОС β =0,02?
Решение. Подставив в (3.35) заданные параметры, определим коэффициент усиления усилителя с ООС:
Воспользовавшись соотношениями (3.38) и (3.39), находим входное и выходное сопротивления с ООС:
Покажем, что введение ООС позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения сигнала и шумы, возникающие в процессе усиления в самом усилителе и, особенно, в его выходном каскаде. Сравним, например, уровни нелинейных искажений в усилителе с ООС и без нее. Пусть при усилении гармонического сигнала на выходе усилителя без ОС в результате нелинейных искажений появилось напряжение паразитной гармоники 
. Обозначим напряжение этой же гармоники уже на выходе усилителя с ООС через 
. Ее величина будет равна разности напряжения и напряжени Кβ 
, появившегося на выходе усилителя за счет введения ООС, т.е. 
. Отсюда следует, что
|
|
|
. (3.40)
Т.е. уровень гармоник на выходе усилителя с ООС меньше, чем в усилителе без ООС.
|
|
|
