Основные понятия и термины теории обратной связи

 

 

Обратная связь (ОС) — это связь между цепями усилителя, посредством кото­рой сигнал передается в направлении, обратном нормальному (с выхода на вход), то есть не из предыдущего каскада в последующий, а наоборот.

Все виды обратной связи сильно изменяют свойства усилительного устройст­ва, поэтому они широко используются для направленного изменения его пара­метров. В общем случае сигнал обратной связи может либо суммироваться с входным (положительная обратная связь — ПОС), либо вычитаться из входного сигнала усилителя (отрицательная обратная связь — ООС).

Обратная связь может появиться в усилителе по трем причинам:

Ø физические свойства усилительных приборов — такую обратную связь мы бу­дем называть внутренней обратной связью. Примером может служить обрат­ная связь, образованная за счет емкости анод-сетка С_АС в лампах или за счет емкости база-коллектор СБК в транзисторе;

Ø наличие паразитных емкостей, индуктивных и других связей в схемах, соз­дающих пути для обратной передачи сигнала. Такие связи принято называть
паразитными обратными связями;

Ø вследствие введения в схему специальных цепей. Связь такого типа называют внешней обратной связью.

Внутренними и паразитными связями нельзя управлять, и они нередко изме­няют свойства усилителя в нежелательном направлении, например могут при­вести к искажению АЧХ и даже к самовозбуждению усилителя.

Внешняя обратная связь легко управляема и ее вводят для улучшения пока­зателей усилителя: повышения стабильности коэффициента усиления, снижения искажений всех видов, уменьшения собственных помех и т. д.

 

 

Излагаемые в дальнейшем положения относятся именно к этому виду отри­цательной обратной связи. Усилитель и обратную связь целесообразно рассмат­ривать в виде соединения двух четырехполюсников, один из которых представ­ляет собой однонаправленный усилитель (К — коэффициент усиления усилите­ля), а другой — цепь обратной связи b — коэффициент передачи цепи ОС). Эти четырехполюсники можно соединить различными способами (рисунок 4.1 - 4.5): по­следовательно, параллельно, последовательно-параллельно, параллельно-после­довательно и комбинированно.

Комбинированная обратная связь (ОС) по входу и выходу (рисунок 4.5) широко используется в многоканальной аппаратуре, причем комбинированное подклю­чение четырехполюсника обратной связи осуществляется с помощью специаль­ных трансформаторов и других элементов, которые представляют как входной, так и выходной шестиполюсники (6п).

В связи с вышеизложенным различают:

 

1. Параллельную обратную связь по входу и выходу, которую называют также параллельной ОС по напряжению (рисунок 4.1).	Рисунок 4.1 – Параллельная обратная связь по входу и выходу – параллельная ОС по напряжению
2. Последовательную ОС по входу и выходу, которую называют также последо­вательной ОС по току (рисунок 4.2).	Рисунок 4.2 – Последовательная обратная связь по входу и выходу – последовательная ОС по току
3. Последовательную ОС по входу и параллельную по выходу, называемую так­же последовательной ОС по напряжению (рисунок 4.3).	Рисунок 4.3 – Последовательная обратная связь по входу и параллельная по выходу – последовательная ОС по напряжению
4. Параллельную ОС по входу и последовательную по выходу, называемую так­же параллельной ОС по току (рисунок 4.4).	Рисунок 4.4 – Параллельная обратная связь по входу и последовательная по выходу – параллельная ОС по току
5. Комбинированную ОС по входу и выходу (или на одном из концов) (рисунок 4.5)	Рисунок 4.5 – Комбинированная обратная связь по входу и выходу – последовательно – параллельная ОС (6п – входной и выходной шестиполюсники)

Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току, если же оно стремится к нулю, то по напряжению.

Поскольку в усилителях обычно используются каскады с ОЭ, ОК, ОИ и ОС, вид ОС можно легко определить по способу подачи ее сигналов во входную цепь. Если сигнал обратной связи поступает на эмиттер (или исток) транзистора, то связь последовательная, а если на базу (или затвор), то параллельная. Для опре­деления вида обратной связи (ООС или ПОС) необходимо просмотреть прохо­ждение полуволны входного сигнала во всех точках схемы усилителя.

Коэффициент усиления однонаправленного усилителя () и коэффициент обратной связи () в общем случае являются величинами комплексными. Этим учитывается возможность наличия фазового сдвига на низких и высоких часто­тах за счет реактивных элементов в самом усилителе и в цепи обратной связи. При работе в диапазоне средних частот если в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то параметры и являются вещественными величинами.

В направлении, указанном стрелкой (рисунок 4.1 – 4.5), усилитель имеет коэф­фициент усиления

(4.1)

Другим прямоугольником обозначена цепь ОС, имеющая коэффициент пере­дачи

где oc — напряжение ОС, передаваемое с выхода на вход.

Коэффициент показывает, какая часть выходного напряжения передается обратно на вход.

При включении цепи обратной связи на вход однонаправленного усилителя будет действовать суммарное колебание: колебание сигнала и колебание сигнала с выхода цепи ОС. Оно возрастает, если колебания находятся в фазе. В этом слу­чае усиление возрастает, что соответствует положительной обратной связи.

Если колебания сигнала и сигнала цепи ОС находятся в противофазе (j = p), то есть усиление уменьшается, то это соответствует наличию отрицательной об­ратной связи.

Положительная обратная связь находит широкое применение в различных генераторах, а иногда и частотно-избирательных усилителях. Частотно-избира­тельные устройства предназначены для выделения, усиления или генерации сиг­налов на определенных рабочих частотах. Основой любого частотно-избиратель­ного устройства является пассивный фильтр, образованный RС- или LC- цепью. В большинстве же усилителей положительная обратная связь является нежела­тельной и используется крайне редко.

Основное применение в усилительных устройствах находит отрицательная обратная связь. Она позволяет повысить стабильность работы усилителей, а так­же улучшить другие важные параметры и характеристики. Сразу следует под­черкнуть, что снижение коэффициента усиления в современных усилительных устройствах за счет отрицательной обратной связи не является очень значитель­ным фактором, поскольку широко используются микроэлектронные структуры с большими собственными коэффициентами усиления (имеет место значительный запас по величине К).

Отрицательная обратная связь осу­ществляется как по постоянному, так и по переменному току. Отрицательная обратная связь по постоянному току ис­пользуется в основном для стабилиза­ции режимов работы транзисторов и мо­жет быть общей или местной.

Простейшей из цепей стабилизации точки покоя с помощью отрицательной обратной связи является цепь коллек­торной стабилизации. На рисунке 4.6 по­казана схема цепи коллекторной стаби­лизации при включении транзистора по схеме с ОЭ (коллекторную стабилизацию можно применять и при включении транзистора с ОК и ОБ).

Из рисунка 4.6 следует, что цепь коллекторной стабилизации отличается от це­пи смещения фиксированным током базы тем, что верхний вывод резистора Roc подключен не к источнику питания Ек, а к коллектору транзисто­ра.

Рисунок 4.6 – Усилительный каскад с цепью коллекторной стабилизации точки покоя

При таком включении вводится параллельная ООС по напряжению, снимае­мая с коллектора транзистора. При этом на резисторе Rоc действует не все на­пряжение источника питания Ек, а разность URОС = Ек – (Iко + IБО) Rк – UБЭО. Решая это уравнение относительно IБ0 и учитывая URос = IБОRос, получаем   Из этой формулы следует, что если, например, Iко начнет увеличиваться, то падение напряжения на резисторе Rк возрастет. В результате при постоянном напряжении Ек уменьшится напряжение на резисторе Roc, ток IБ0 также умень­шится, что препятствует возрастанию тока Iко. Цепь коллекторной стабилизации проста и экономична, но имеет ограничен­ное применение из-за свойственных ей недостатков.

Согласно вышеизложенно­му, эффективность цепи коллекторной стабилизации тем выше, чем больше со­противление резистора Rк. Поэтому каскад, собранный по этой схеме, хорошо работает лишь при условии IкоRк³0,5Ек, то есть когда при изменении тока Iко могут существенно меняться напряжение U_Rос и, соответственно, ток I_Б0.

Так как Ек = U_KЭ0 + Rк (I_БО + Iко), то с увеличением RK увеличивается требу­емое напряжение источника питания Ек. Наличие нежелательной ООС по пере­менному току через резистор Rос уменьшает входное сопротивление и усиление каскада.

Более высокую стабильность рабочей точки транзистора обеспечивает цепь эмиттерной стабилизации, наиболее распространенной на практике.

В качестве примера на рисунке 4.7 показана схема цепи эмиттерной стабили­зации при включении транзистора с ОЭ (эмиттерная стабилизация применима и при включении с ОБ и ОК).

 

Рисунок 4.7 – Усилительный каскад с цепью эмиттерной стабилизации точки покоя

Стабилизация режима в цепи осу­ществляется благодаря последовательной ООС по току, получаемой при вклю­чении в эмиттерный провод транзисто­ра Rэ. Укажем цепи, по которым про­текают токи в схеме, показанной на рисунке 4.7. Ток эмиттера Iэо: корпус, ЭП транзистора; далее Iэо разделяется на то­ки IБ0 и Iко; ток IБ0 протекает через базу транзистора, резистор R1, а ток Iко — че­рез КП транзистора и резистор Rк; затем оба тока IБ0 и Iко протекают через источ­ник питания Ек на корпус. В цепи эмиттерной стабилизации напряжение смещения UБЭО=IдлR2 – IэоRэ. Ток делителя Iдл выбирают во много раз большим тока IБО, при этом напряжение UR2 = Iдл R2 практически не зависит от тока базы IБО. Тогда напряжение UБЭО, а следовательно смещение на транзисторе, изменяется при изменении тока Iэо только из-за изменения напряжения на резисторе Rэ. Положим, что Iэо увеличивается напряжение на резисторе Rэ, что приведет к уменьшению напряжения смещения UБЭО. Ток базы IБЭО из-за этого уменьшится и, соответственно, уменьшится ток Iэо.

Для устранения ООС по переменному току, снижающей коэффициент усиления каскада, резистор RЭ шунтируют конденсатором Сэ.

Стабилизирующее действие рассмотренной цепи растет с увеличением сопротивления резистора Rэ и с уменьшением сопротивлений делителя R₁ и R₂. Действительно, чем больше сопротивление резистора Rэ, тем больше падение напряжения на нем и тем сильнее изменяется это напряжение при небольших отклонениях тока Iэо от значения в рабочей точке. Однако с увеличением Rэ увеличивается требуемое напряжение источника питания. Обычно падение напряжения на резисторе Rэ не должно превышать (0,1 – 0,2) Ек. Сопротивления резисторов R₁, R₂ и Rэ обычно рассчитывают в следующей последовательности: определяют Rэ = (0,1 – 0,2) Ек/Iэо, затем, задав значение тока делителя Iдл = (1-10)I_БО, определяют

R₂=(IэоRэ+çU_БЭОç) / Iдл, R₁=(Ек-IдлR₂) / (Iдл +I_БО). (4.2)

 

Рисунок 4.8 – Применение местной ООС в схеме усилителя с общим эмиттером

Если в одном усилительном каскаде применить и коллекторную и эмиттерную стабилизацию одновременно, то получают коллекторно-эмиттерную, или комбинированную, стабилизацию, схема которой при включении транзистора с ОЭ показана на рисунке 4.8. Отрицательная обратная связь по постоянному току создается с помощью сопротивлений эмиттера Rэ и фильтра Rф. Для выяснения принципа действия такой цепи удобно воспользоваться уравнением для напряжения источника питания, полученным на основании закона Кирхгофа: Ек=(Iдл+IБО + Iко) Rф+ (Iдл+IБО) RБ1+IдлRБ2.   Предположим, что Iко начинает увеличиваться, из-за этого увеличивается на­пряжение на резисторе Rф, а напряжение на делителе IБ1 и RБ2 уменьшается, что вызывает уменьшение напряжения на резисторе RБ2.

Так как смещение на транзисторе

U_БЭО=U_RБ2-U_Rэ,

 

то оно уменьшается по двум причинам: из-за уменьшения падения напряжения на U_RБ2 и из-за увеличения падения напряжения на U_Rэ. Уменьшение напряже­ния U_БЭО препятствует увеличению тока Iко.

Рассмотренные цепи стабилизации с ООС по постоянному току широко при­меняются в усилительных каскадах, в которых постоянная составляющая выход­ного тока транзистора не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала.

 

 

ВЫВОДЫ:

1. Обратные связи могут быть положительными и отрицательными. В усилите­лях в основном используется отрицательная обратная связь.

2. По способу снятия и введения обратная связь разделяется на последователь­ную обратную связь по напряжению, последовательную обратную связь по току, параллельную обратную связь по току, комбинированную обратную связь.

3. Обратная связь может быть частотно-независимой и частотно-зависимой

 

 

ВИДЫ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ

 

Оценку влияния ОС на показатели усилителя рассмотрим на примере схемы с последовательной обратной связи по напряжению (рисунок 4.11).

На входе усилителя действует алгебраическая сумма напряжений входного сигнала и ОС:

 

Напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью, равно

(4.3)

 

Разделив обе части уравнения (4.3) на Uвх, получим

(10.4)

 

Рисунок 4.11 – Последовательная ОС по напряжению

Это соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя ос, ох­ваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью. Величина характери­зует усиление и характер петли обратной связи. Величину (1 - ) называют глу­биной обратной связи. Поскольку в общем случае и , где jк и jb - фазовые сдви­ги напряжения сигнала, вносимые, соответственно, усилителем и звеном обрат­ной связи, выражение (4.4) можно записать в виде

(4.5)

При j_К+jb=p и = -bК, то есть если коэффициент обратной связи есть величина вещественная и отрицательная, получим

(4.6)

 

Таким образом, если сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе с входным сигналом, то коэффициент усиления усилителя умень­шается в 1 + bК раз. Такую обратную связь называют отрицательной.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффи­циента усиления К, в том числе связанных с неравномерностью частотной харак­теристики; расширяет полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот; уменьшает частотные искажения. ООС уменьшает возникаю­щие в усилителе нелинейные искажения. Если при ООС | |» 1, то говорят, что усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью:

К=К / (1+bК)»b. (4.7)

В этом случае коэффициент усиления усилителя определяется только коэф­фициентом передачи цепи обратной связи и не зависит от собственного коэффи­циента усиления К усилителя.

Если величина bК вещественная и положительная, то сигнал обратной связи совпадает по фазе с входным, усилитель охвачен положительной обратной свя­зью. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в 1 - bК раз. При bК =1 в усилителе возникают условия для самовозбуждения усилителя, охва­ченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашел примене­ние в автогенераторах.

Суть самовозбуждения (потери устойчивости) заключается в следующем: лю­бой малый сигнал, вызванный наводками или колебаниями параметров актив­ных элементов, усиливается и возвращается обратно на вход усилителя. Сумми­руясь с входным сигналом, он вызывает появление большого входного сигнала. В реальных усилителях наступает ограничение входного сигнала и появляются незатухающие колебания.

Положительная обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления, в элек­тронных усилителях практически не применяется, так как при этом стабильность усиления значительно ухудшается.

Для качественной оценки действия цепи обратной связи определим стабиль­ность коэффициента усиления усилителя с обратной связью. Для этой цели про­дифференцируем выражение (4.7):

 

тогда относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицатель­ной обратной связью определяется как

(4.8)

Рисунок 4.12 – Амплитудно – частотная характеристика усилителя с обратной связью и без нее

Отсюда следует, что относительное изменение коэффициента усиления уси­лителя с ООС в (1 + bК) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи. Физический смысл повышения стабильности коэффи­циента усиления усилителя с ООС заключается в том, что при изменении коэф­фициента усиления К изменяется напряжение обратной связи С/ос, приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препятствующего изменению вы­ходного напряжения.

Стабильность коэффициента К при введении ООС широко используется для улучшения ам­плитудно-частотной характеристики усилите­лей переменного сигнала (рисунок 4.12), при этом полоса пропускания усилителя D¦ расширяется.

Рассмотрим влияние последовательной об­ратной связи на входное и выходное сопротив­ления в диапазоне средних частот. Входное со­противление усилителя с обратной связью опре­деляется как

(4.9)

Используя соотношение U'вх = Uвх - Uoc, получим

Rвх.ос = Rвх (1+bК), (4.10)

то есть входное сопротивление каскада при последовательной обратной связи по напряжению возрастает в 1 +bК раз, а положительная обратная связь уменьшает его в 1 - bК раз.

Найдем выходное сопротивление усилителя по значению выходного тока Iвых, протекающего под действием приложенного напряжения Uвых, при замкнутом ге­нераторе на входе Еr = 0: Rвых ос = Uвых / Iвых.

Выходной ток определяется выражением:

(4.11)

 

Из выражения (4.14) видно, что выходное сопротивление усилителя, охва­ченного ООС, уменьшается. Увеличение входного и уменьшение выходного со­противлений усилителя с ООС — очень ценные свойства для его оконечных кас­кадов: обеспечивается меньшая зависимость выходного напряжения усилителя при изменении сопротивления нагрузки, усилитель приближается по своим па­раметрам к идеальному источнику напряжения.

при этом

(4.12)

 

Подставив выражение (4.12) в (4.11), получим

(4.13)

 

(4.14)

 

Из выражения (4.14) видно, что выходное сопротивление усилителя, охваченного ООС, уменьшается. Увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений усилителя с ООС – очень ценные свойства для его оконечных каскадов: обеспечивается меньшая зависимость выходного напряжения усилителя при изменении сопротивления нагрузки, усилитель приближается по своим параметрам к идеальному источнику напряжения.

ВЫВОДЫ:

1. Введение отрицательной обратной связи является одним из самых действен­ных способов, с помощью которого решается задача создания усилителя с не­обходимыми характеристиками и параметрами.

2. Отрицательная обратная связь обеспечивает хорошую воспроизводимость и ста­билизацию коэффициента усиления усилителя по модулю и фазе практиче­ски с любой степенью точности.

3. Отрицательная обратная связь уменьшает исходный коэффициент усиления усилителя, что вызывает необходимость увеличения числа каскадов усилителя.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Дайте определение обратной связи.

2. Назовите причины появления обратных связей.

3. Какие виды обратных связей вы знаете?

4. Дайте сравнительную оценку положительной и отрицательной обратных связей.

5. Почему эмиттерная стабилизация лучше, чем коллекторная?

6. Поясните принцип действия ООС в усилителе с общим эмиттером.

7. Поясните принцип действия генератора стабильного тока.

8. Как обратная связь влияет на коэффициент усиления усилителя?

9. В каком случае коэффициент усиления усилителя практически не зависит от параметров усилительных элементов?

10. Как последовательная обратная связь по току или напряжению влияет на входное и выходное сопротивления усилителя?

11. Как отрицательная обратная связь влияет на амплитудно-частотную характе­ристику усилителя?

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СХЕМОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: