Тема 13. Обратные связи в усилителях и генераторах

Обратную связь в усилителях используется для повышения стабильности величины усиления, изменения входного и выходного сопротивления, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров В общем случае обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь передачи сигнала ОС называется цепью обратной связи. ОС может охватывать как одиночные каскады (местная обратная связь) так и несколько каскадов усиления.

Рис.13.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

Упрощенная структурная схема усилителя с обратной связью показана на рис. 4.1., на котором изображены четырехполюсники усилителя и цепи обратной связи. Коэффициент усиления , коэффициент передачи цепи ОС , – напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. и являются комплексными величинами в широкополосных или высокочастотных усилителях, в диапазоне средних частот их можно считать вещественными. Если , вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырехполюсник.

Обратная связь может быть положительная (ПОС) или отрицательная (ООС). При ООС напряжение, поступающее ко входу усилителя по цепи обратной связи и противофазны. Часто используется случай, когда фазовый сдвиг максимален, то есть ().

При положительной обратной связи напряжение совпадает по фазе со входным напряжением , что приводит к сложению сигналов в точке

По способу получения сигнала обратные связи бывают:

– обратная связь по напряжению (рис13.2., а), когда сигнал, поступающий на вход цепи обратной связи пропорционален выходному напряжению ;

– ОС по току (рис.4.2., б), когда сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи;

а) б)

Рис 13.2 Структурная схема усилителя с цепью обратной связи а) по напряжению, б) по току.

По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратные связи бывают:

– последовательной (рис.12.2, а)– напряжение ОС поступает во входную цепь последовательно с напряжением источника входного сигнала;

– параллельной (рис. 13.2, б) – напряжение ОС поступает во входную цепь параллельно с напряжением источника входного сигнала;

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 осуществляется обратная связь по напряжению

а) б)

Рис 13.3. Структурная схема усилителя с цепью обратной связи а) последовательной по входу, в) параллельной по входу

Определим соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя , охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, которое является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью.

Коэффициент обратной связи Кос можно записать в общем случае, как

( 13.1)

где Uвх - алгебраическое суммарное напряжение входного сигнала и напряжение ОС

( 13.2)

Uвых - напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью,

( 13.3)

Следовательно, получим

. ( 13.4)

– характеризует усиление и характер петли обратной связи. () - глубина обратной связи.

В общем случае и , тогда

. ( 13.5)

В этих выражениях j_к и j_b показывают фазовые сдвиги напряжения сигнала для усилителя и цепи обратной связи. Если , тогда коэффициент обратной связи является вещественным .

. ( 13.6) Можно увидеть, что коэффициент усиления усилителя уменьшается в 1+bК раз. Этот случай соответствует отрицательной обратной связью, при которой сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе со входным сигналом.

ООС называется глубокой отрицательной обратной связью, если . В этом случае . ( 13.7)

Если , то величина bК вещественная и положительная, то есть сигнал обратной связи совпадает по фазе со входным сигналом. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в 1 – bК раз.

( 13.8)

При в усилителе возникает условия для самовозбуждения усилителя, охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашел применение в генераторах напряжения.

Влияние ООС на параметры усилителя заключается в уменьшении зависимости влияние коэффициента усиления К, от изменения напряжения питания, старения элементов схемы, а также уменьшении неравномерности частотной характеристики; расширении полосы пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот; уменьшении частотные и. нелинейных искажений.

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется, как

Взяв производную

,

получим

. ( 13.9)

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в (1+bК) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления без ООС, что в общем случае справедливо для любой системы автоматического регулирования с замкнутой петлей ООС. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления усилителя К изменяется напряжение обратной связи , приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препятствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента усиления усилителя при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала (рис. 4.4), при этом полоса пропускания усилителя Df расширяется.

Рис.13.4. Влияние отрицательной обратной связи на АЧХ

Независимо от вида, отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:

1. Уменьшение коэффициента усиления.

2. Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов.

3. Уменьшение уровня нелинейных искажений.

4. Расширение полосы пропускания.

Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.

Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.

Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в усилителях могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие его работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:

– паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания;

– емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

– магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи () усилитель самовозбуждается, т.е. в усилителе возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RС–фильтры. В некоторых случаях первые каскады усилителя даже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают емкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом и требуют большого практического опыта.