Главная | Обратная связь

Обратные связи в электронных усилителях

Обратная связь (ОС) это явление, при котором результаты процесса влияют на его ход. В радиоэлектронике обратной связью называют воздействие выходного сигнала устройства на его вход. Обратные связи находят широкое применение в различных устройствах автоматических систем управления, энергетической и информационной электроники. В усилителях ОС используют для направленного изменения их характеристик.

В общем случае усилитель с ОС представляется структурной схемой (рис. 4.13), которая содержит цепь прямой передачи – усилитель с комплексным коэффициентом передачи и цепь обратной связи с комплексным коэффициентом обратной передачи . Коэффициент обратной связи показывает, какая часть сигнала (энергии, напряжения, тока) с выхода усилителя подается на вход. В усилителях обычно используют пассивную цепь ОС, т.е. . Цепь обратной связи и цепь прямой передачи образуют замкнутый контур, который называют петлей обратной связи.

Входной сигнал цепи прямой передачи представляет собой алгебраическую сумму входного сигнала усилителя с ОС и сигнала ОС :

 

, (4.13)

 

 

Рис. 4.13. Структурная схема усилителя с обратной связью

 

поэтому сигнал на выходе усилителя будет равен:

 

. (4.14)

 

Решив уравнение (4.14) относительно , получим

 

. (4.15)

 

Из (4.15) следует, что комплексный коэффициент передачи усилителя с ОС связан с комплексными коэффициентами передачи цепей прямой и обратной передачи соотношением:

 

. (4.16)

 

Произведение называется петлевым усилением, а величина – глубиной ОС. Петлевое усиление определяет характер обратной связи и коэффициент усиления усилителя с ОС. В общем случае, когда петлевое усиление , то (в системе действует положительная обратная связь (ПОС)), а при – (в системе действует отрицательная обратная связь (ООС)). Так как и , где и – фазовые сдвиги сигнала, вносимые цепями прямой передачи и обратной связи, комплексный коэффициент передачи усилителя с ОС можно представить в виде:

. (4.17)

 

В частности, при , 0, 1, 2,…, петлевое усиление величина вещественная и положительная, при этом сигнал обратной связи поступает на вход цепи прямой передачи (усилителя) в фазе со входным сигналом (действует ПОС). В случае, когда , имеет место регенеративное усиление, при этом , а при выполнении условия усилитель с ПОС становится неустойчивым и самовозбуждается. При петлевое усиление величина вещественная и отрицательная, при этом сигнал обратной связи поступает на вход цепи прямой передачи (усилителя) в противофазе с входным сигналом (действует ООС). В этом случае, как следует из (4.17), коэффициент усиления усилителя с ООС равен

 

, (4.18)

 

т.е. коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления, ООС широко применяется в усилителях, так как она улучшает ряд других параметров. Считая =const и дифференцируя выражение (4.18) по получим абсолютное изменение

.

 

Разделив его на (4.18), получим относительное изменение

 

. (4.19)

 

Из (4.19) видно, что отрицательная обратная связь уменьшает относительное изменение в раз по сравнению с относительным изменением коэффициента усиления усилителя без ООС. В частности, стабилизирует работу усилителя, уменьшая зависимость от изменений параметров транзисторов, колебаний напряжения питания и величины нагрузки, существенно уменьшает нелинейные и частотные искажения, вносимые усилителем, ослабляет уровень внутренних помех, расширяет полосу пропускания. При глубокой ООС коэффициент усиления равен , т.е. определяется только параметрами цепи обратной связи и не зависит от параметров исходного усилителя без ООС.

Обязательным условием нормального функционирования усилителя является его устойчивость. В физическом понимании свойство устойчивости означает, что конечные изменения входного сигнала не вызывают неограниченного изменения выходного сигнала, а после прекращения действия возмущающего воздействия усилитель возвращается к исходному, невозмущенному состоянию. Комплексные коэффициенты передачи и обратной связи зависят от частоты и на некоторых частотах отрицательная обратная связь превращается в положительную. На этих частотах усилитель самовозбуждается и становится источником помех для других устройств. Для проверки усилителя на устойчивость к самовозбуждению удобно воспользоваться критерием Найквиста. Критерий Найквиста гласит: если амплитудно-фазовая характеристика петлевого усиления не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами (1,0), то усилитель не возбуждается. Вид амплитудно-фазовая характеристика усилителя устойчивого по критерию Найквиста показан на рис.4.14.

Различают внутренние и внешние ОС. Внутренние ОС являются неотъемлемой частью усилителей и обусловлены физическими процессами в электронных приборах, а также емкостными, индуктивными и гальваническими связями между выходными и входными цепями усилителя. ОС, обусловленные такими связями, называют паразитными обратными связями. Обычно паразитные связи в усилителе стараются ослабить настолько, чтобы они практически не сказывались на его свойствах. Так как ОС сильно влияет на характеристики усилителя, ее часто вводят в усилитель преднамеренно для изменения его свойств в нужном направлении. В этом случае для передачи части сигнала c выхода на вход используют внешние цепи обратной связи, и такие ОС называют внешними.

 

Рис. 4.14. Вид амплитудно-фазовая характеристика усилителя устойчивого к самовозбуждению по критерию Найквиста

 

В зависимости от способа получения сигнала ОС с выхода усилителя различают обратную связь по напряжению (рис. 4.15а) и по току (рис. 4.15б). Чтобы выяснить в конкретной схеме, каким способом получен сигнал ОС, можно воспользоваться следующим правилом: если мысленно закоротить нагрузку, то ОС по току сохраняется, а по напряжению – исчезает. По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную (рис. 4.15в) и параллельную (рис. 4.15г) обратные связи. При последовательной ОС на входе усилителя (цепи прямой передачи) выполняется алгебраическое суммирование напряжений. При параллельной ОС – выполняется алгебраическое суммирование токов.

 

а) б) в) г)

Рис. 4.15. Типы обратных связей (структурные схемы):

по способу получения сигнала на выходе:

а) обратная связь по напряжению,

б) обратная связь по току,

по способу подачи сигнала на вход:

в) последовательная,

г) параллельная

Комбинируя способы получения и подачи сигнала ОС, получают четыре основных типа ОС: последовательную по напряжению, последовательную по току, параллельную по напряжению, параллельную по току.

Способ получения сигнала ОС влияет на выходное сопротивление усилителя, а способ подачи сигнала ОС на вход влияет на входное сопротивление. ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление, а ОС по току – увеличивает его. В случае последовательной ООС увеличивается входное сопротивление, а в случае параллельной ООС входное сопротивление уменьшается.

Типы ОС проанализируем на примере однокаскадных усилителей, схемы которых приведены на рис. 4.16а и рис. 4.16б. В обеих схемах цепь ОС образует резистор , включенный в цепь эмиттера транзистора. Входное напряжение действует на базу относительно корпуса . Изменение вызывает изменение напряжения на эмиттере . Так как для транзистора управляющим является напряжение , то в обеих схемах имеем

 

, (4.20)

 

т.е. в рассматриваемых схемах действует последовательная ООС. Усилитель на рис. 4.16а охвачен последовательной ООС по току, поскольку при , причем (т.к. , полагаем ). В рассматриваемых схемах ОС частотно независима, поскольку напряжение не зависит от частоты. В усилителях применяют также частотно избирательную ОС. Например, шунтированием резистора в схеме, изображенной на рис. 4.16а конденсатором большой емкости ( , где – нижняя частота спектра усиливаемого сигнала), создают ООС по постоянной составляющей тока эмиттера для стабилизации режима покоя усилителя.

 

а) б)

Рис. 4.16. Схемы однокаскадных усилителей с ООС:

а) последовательная ООС по току,

б) последовательная ООС по напряжению