Лекция 5. Обратная связь и ее влияние на характеристики устройства.

Рассматриваемые вопросы:

1. Принцип, назначение и виды обратной связи (ОС).

2. Основные способы ее обеспечения.

3. Влияние ОС на основные показатели и характеристики усили­тельных устройств.

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

При построении устройств аналоговой схемотехники исключитель-но важное значение имеет применение обратной связи (ОС). Свойства усилителя в значительной степени определяются свойствами цепей обратной связи. С помощью усилителя, охваченного обратной связью, можно построить практически все устройства аналоговой обработки сигналов: активные фильтры, инвертирующие и не инвертирующие усилители, сумматоры, вычитатели, логарифмические преобразователи, генераторы, перемножители и другие.

Обратной связью называют процесс передачи сигнала из последующих цепей усилителя в предыдущие.

На рисунке 3.5.1 приведена упрощенная структурная схема усилителя с цепью обратной связи. Здесь в качестве цепи обратной связи используется пассивный четырёхполюсник с коэффициентом передачи

(3.5.1)

Рисунок 3.5.1 - Структурная схема усилителя с цепью обратной связи

В схеме рисунка 3.5.1: К – коэффициент усиления напряжения в усилителе без ОС; К_ВХ.Ц– коэффициент передачи напряжения сигнала во входной цепи усилителя без ОС; U_ОС – напряжение на выходе цепи ОС, подводимое по с выхода усилителя к источнику сигнала; β- коэффициент обратной связи (коэффициент передачи напряжения сигнала по цепи ОС с выхода до источника сигнала), определяемый по формуле (3.5.1). Поскольку цепь обратной связи является, как правило, пассивной, то модуль β не превышает единицы.

Замкнутый контур, образованный усилительным трактом и цепью ОС, называется петлей ОС. Коэффициент передачи по всей петле ОС называют петлевым усилением (или возвратным отношением)

(3.5.2)

где - сквозной коэффициент усилителя.

Системы с обратной связью различаются по следующим классификационным признакам:

1. По способу взаимодействия сигналов, поступающих от источника сигнала и по цепи ОС с выхода усилителя, обратная связь может быть: положительная; отрицательная; комплексная.

Поскольку при обратной связи во входной цепи взаимодействуют сигналы, поступающие от источника и с выхода цепи ОС, результирующее значение (U_{ВХ ОС}) будет зависеть от фазы напряжения на выходе цепи ОС (U_ОС) относительно фазы напряжения источника сигнала (рисунок 3.5.2).

Рисунок 3.5.2. Типы обратной связи по способу взаимодействия сигналов

Обратная связь называется положительной (ПОС), если сигнал обратной связи совпадает по фазе с сигналом источника при их взаимодействии на входе усилителя (= 0° ). При ПОС вектор напряжения ОС совпадает по направлению с вектором ЭДС источника сигнала, что приводит к увеличению результирующее напряжение на входе (U_{ВХ ОС}) и выходе схемы и к увеличению сквозного коэффициента усиления всей схемы

(3.5.3)

где величина - называется глубиной положительной ОС (или сквозной возвратной разностью).

Положительная обратная связь может использоваться при построении генераторов, так как при =1 выполняется баланс фаз и баланс амплитуд, что является условием самовозбуждения.

Если сигналы обратной связи и источника находятся в противофазе (_Т=180°), ОС называют отрицательной (ООС). При ООС вектор напряжения ОС противоположен вектору ЭДС источника сигнала, что приводит к уменьшению результирующего напряжения U_ВХОС и уменьшению сквозного коэффициента усиления всей схемы. Действительно, коэффициент передачи с ООС

(3.5.4)

где – глубина отрицательной ОС (или сквозная возвратная разность), которая показывает, во сколько раз уменьшается сквозной коэффициент усиления при введении обратной связи. Поскольку при построении усилительных устройств применяют преимущественно ООС, то в дальнейшем величину, будем называть просто “глубина ООС”.

Тем не менее, несмотря на уменьшение сквозного коэффициента усиления, ООС приводит к улучшению большинства качественных показателей усилителей. Уменьшение же коэффициента усиления, вызываемого ООС, может быть скомпенсировано введением дополнительных предварительных каскадов усиления.

2. По конструктивным особенностям и способу организации различают ОС: внутреннюю; паразитную; внешнюю.

Внутренняя ОС возникает в усилительных элементах вследствие особенностей их физических свойств и конструкций.

Паразитная ОС, возникает вследствие емкостных, индуктивных и других паразитных связей между последующими и предыдущими цепями усилителя (например, по цепи питания, учитывая ненулевое внутреннее сопротивления источника питания по переменному току). Внутренние и паразитные обратные связи произвольно изменяют (как правило, ухудшая) показатели усилителя и снижают его устойчивость.

Внешняя (полезная или специально вводимая) ОС вводится в схему усилителя преднамеренно для улучшения или изменения его свойств и качественных показателей.

3. По числу охватываемых обратной связью каскадов усиления ОС может быть: местной; общей; однопетлевой; многопетлевой.

Если ОС охватывает один каскад, ее называют местной ОС, если она охватывает два или более каскадов усиления, ее называют общей ОС. Если усилитель имеет только одну (местную или общую) цепь ОС, она называется однопетлевой. При комбинации местных и общих цепей обратной связи, в том случае, когда эти цепи либо независимы друг от друга, либо полностью или частично перекрываются, ОС называют многопетлевой. На рисунке 3.5.3 показан усилитель с многопетлевой ОС, состоящей из цепи местной ОС (β₂) и цепи общей ОС (β_общ).

Рисунок 3.5.3. Пример многопетлевой обратной связи

4. По способам подключения цепи ОС к выходу (при снятии ОС) и входу (при подаче ОС) усилителя различают: параллельную ОС; последовательную ОС; комбинированную ОС.

Следует подчеркнуть, что способы снятия и подачи ОС могут быть независимыми и определяться выбором способа (простоты) реализации ОС для конкретной схемы и требованиями к свойствам усилителя, определяемым свойствами ОС. Таким образом, ОС может быть последовательной по способу снятия и параллельной по способу подачи; комбинированной по способу снятия и последовательной по способу подачи и так далее.

Таким образом, если напряжение ОС перестает подаваться на вход при обрыве источника сигнала, то в схеме – последовательная ОС. Если же оно перестает подаваться при коротком замыкании источника сигнала, то связи параллельная. Если напряжение ОС не исчезает ни при обрыве, ни при замыкании источника сигнала, то в схеме – комбинированная по входу ОС.

Характер влияния ОС на коэффициенты усиления определяется способом подачи на вход и не зависит от способа снятия с выхода усилителя.

Входное сопротивление устройства с последовательной по входу ООС окажется больше входного сопротивления самого усилителя. Физи-чески это очевидно из предыдущих рассуждений, поскольку при введе-нии последовательной по входу ООС и обеспечения Е_истОС = Е_ист*F* входное напряжение устройства возрастает, а входной ток остаётся прежним.

Таким образом:

последовательная по входу ООС: не изменяет коэффициент усиления по току устройства; уменьшает коэффициент усиления по напряжению устройства; увеличивает входное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при коротком замыкании со стороны входа.

параллельная по входу ООС:

не изменяет коэффициент усиления по напряжению устройства; уменьшает коэффициент усиления по току; одновременно уменьшает входное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при х.х. со стороны входа.

Поскольку характер влияния ОС на выходное сопротивление усилителя определяется способом снятия ОС с выхода усилителя и не зависит от способов подачи ее на вход, то это влияние может рассматриваться при любом (например, последовательном) способе подачи.

Таким образом,

последовательная по выходу ООС увеличивает выходное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при к.з. на выходе (Zн=0).

Следует подчеркнуть, что это увеличение выходного сопротивления происходит вследствие действия ООС, а не за счет пассивного влияния сопротивления ОС в выходной цепи усилителя, которое сводят к минимуму выбором очень малого сопротивления ОС.

При ООС по напряжению выходное напряжение сигнала устройства при изменении сопротивления нагрузки изменяется меньше, чем без ОС, что эквивалентно уменьшению выходного сопротивления устройства.

Комбинированная по выходу ООС объединяет в себе последовательную по выходу ООС (ООС по току) и параллельную по выходу ООС (ООС по напряжению).

ООС уменьшает напряжение собственных помех и нелинейные искажения в глубину обратной связи раз, независимо от способа снятия и подачи ОС. Физически это уменьшение происходит вследствие того, что возникающее в усилителе напряжение гармоники, фона (или другой собственной помехи) частично компенсируются напряжением гармоники, фона (или другой собственной помехи), которое с выхода устройства по петле ООС приходит к месту возникновения гармоники или собственной помехи с противоположным знаком.

ООС приближает АЧХ к идеальной, что достигается ценой снижения усилительных свойств устройства, которое обычно компен-сируется введением дополнительного каскада предварительного усиления. Наряду с частотной характеристикой частотнонезависимая ООС улучшает фазовую и переходную характеристики. Поэтому частотно-независимая ООС очень широко применяется в усилителях систем телекоммуникаций.

Частотнозависимая ООС широко используется для самых различных изменений частотных характеристик усилителей с целью корректирования (исправления) их в областях верхних, нижних и средних частот, а также для создания избирательных усилителей.