Тема 13. Обратные связи в усилителях Принципы обратной связи

Обратная связь (ОС) – процесс передачи сигнала из выходной цепи во входную. ОС называют отрицательной, если её сигнал вычитается из входного, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным. Местной ОС называют ОС, охватывающую отдельные части усилителя, общей ОС называют ОС, охватывающую весь усилитель. В усилителях в основном используют отрицательную обратную связь (ООС). Рассмотрим усилитель, охваченный ОС (рис. 63).

Рис. 63. Структурная схема усилителя, охваченного ОС:

1 – основной усилитель; 2 – устройство обратной связи; 3 – сумматор (при положительной ОС) или вычитатель (при ООС)

Пусть – коэффициент усиления основного усилителя (общий коэффициент усиления до введения ОС),– коэффициент передачи устройства ОС (коэффициент ОС). Предположим, что обратная связь – отрицательная. Тогда напряжение сигнала ОС:

.

После введения ООС

.

Отсюда общий коэффициент усиления после введения ООС:

при значительном . (6)

Основной вывод – устройство с глубокой ООС имеет характеристики, зависящие практически только от цепи обратной связи, а не от основной цепи при значительном .

Из выражения (6) следует, что результирующий коэффициент усиления после введения ООС становится меньше. Может показаться, что введение ООС – глупая затея, которая приведёт лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать ООС: "К нашему изобретению отнеслись так же, как к вечному двигателю". В чём же польза ООС?

Рассмотрим пример. Пусть имеем усилитель, у которого при изменении частоты от докоэффициент усиления меняется от 100 до 10000 (рис. 64). После введения ООС с коэффициентомв соответствии с выражением (6) коэффициент усиления на разных частотах составит

Рис. 64. АЧХ усилителя

на частоте

на частоте

на частоте

В этом примере ООС стабилизирует коэффициент усиления и расширяет полосу пропускания. С помощью ООС улучшают качественные характеристики усилителей за счёт снижения результирующего коэффициента усиления.

Виды обратной связи

Обратная связь классифицируется:

1) по фазе сигнала обратной связи:

а) положительная;

б) отрицательная;

2) по способу подачи во входную цепь:

а) последовательная по входу (рис. 65, а);

б) параллельная по входу (рис. 65, б).

Рис. 65. Схемы подачи ОС во входную цепь

3) по выходу:

а) обратная связь по напряжению (рис. 66, а), когда сигнал ОС пропорционален напряжению выходной цепи;

б) обратная связь по току (рис. 66, б), когда сигнал ОС пропорционален току выходной цепи.

Рис. 66. Схемы ОС в зависимости от способа получения сигнала

Тема 14. Операционные усилители Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим (10⁵-10⁶) коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Название "операционный" он получил в связи с первоначальным применением для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами (суммирование, вычитание, интегрирование и т.д.). ОУ выполняются в виде аналоговой интегральной микросхемы. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора, реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

Условные обозначения ОУ приведены на рис. 67, а, б. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180⁰ относительно выходного напряжения, называется инвертирующим (обозначен знаком инверсии "○" на рис. 67, а). Вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением, – неинвертирующий. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника и(как правило, ± 15 В), позволяющие получить выходной потенциал, равный в состоянии покоя нулю.

Рис. 67. Условные обозначения ОУ

Идеальный ОУ обладает следующими свойствами:

1) коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности (на рис. 67,а обозначено "");

2) бесконечное входное сопротивление ;

3) нулевое выходное сопротивление ;

4) при;

5) бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

ОУ никогда не используются без ОС, при этом результирующие характеристики устройства на базе ОУ зависят только от цепи ОС. Промышленностью выпускаются сотни типов ОУ. В качестве примера рассмотрим устройство ОУ LF411 фирмы National Semiconductor. Как и все ОУ, он представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе мини-DIP с двухрядным расположением выводов (на рис. 68 показано соединение с выводами корпуса).

Рис. 68. Соединение ОУ LF411 с выводами корпуса (вид сверху)

ОУ LF411 – это кристалл кремния, содержащий 24 транзистора (21 биполярный и 3 полевых), 11 резисторов и 1 конденсатор. Точка на крышке корпуса и выемка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы "установка нуля" (или "баланс", "регулировка") служат для устранения небольшой асимметрии, возможной в операционном усилителе.

Рассмотрим основные правила, определяющие работу ОУ, охваченного ОС.

1. ОУ потребляет очень небольшой входной ток (например, ОУ LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах – порядка пикоампер), поэтому можно считать, что входы ОУ ток не потребляют ().

2. С помощью цепи ОС напряжение из выходной цепи во входную подаётся таким образом, чтобы разность напряжений между входами стремилась к нулю.