1.4 Усилители с обратной связью

Введение обратной связи придает усилителю специфические свойства. Она осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с его собственного выхода через цепь обратной связи, рисунок 1.22. Звено ОС характеризуется коэффициентом передачи . Комплексность означает возможность фазового сдвига между входным и выходным сигналами усилителя из-за реактивностей как в усилителе, так и в ОС. Вид ОС определяется:

– по параметру выходного сигнала (напряжению или току), используемому для создания ОС. Это ОС по напряжению или по току;

– способу подачи ОС на вход усилителя. Последовательная ОС – сигнал ОС подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом; параллельная – когда сигнал ОС подается на вход усилителя параллельно с входным сигналом.

Рисунок 1.22 – Усилитель с обратной связью

Функциональные схемы усилителей с основными видами ОС приведены на рисунке 1.23.

а) ОС по напряжению последовательная

б) ОС по току последовательная

в) ОС по напряжению параллельная

Рисунок 1.23 – Виды обратной связи

Воздействие ОС может привести или к увеличению, или к уменьшению результирующего сигнала на входе усилителя. Первый случай – это положительная обратная связь (ПОС), второй случай – отрицательная обратная связь (ООС).

Усилители с ПОС применяется в генераторах, а ООС в усилителях изменяет его параметры. Известно, что коэффициент усиления усилителя с ОС определяется выражением K_U(ОС) = К/(1 – Кæ).

– Если 1> Кæ >0, то К_U(ОС)> К – это условие ПОС, когда напряжение обратной связи подается на вход усилителя в фазе с входным сигналом: U_У = U_ВХ + U_ОС.

– Когда Kæ ³ 1 – это ПОС и является условием возбуждения усилителя.

– При Кæ < 0 величина К_U(ОС)­ < К – это ООС. Напряжение обратной связи подается на вход усилителя в противофазе с входным сигналом: U_У = U_ВХ – U_ОС;

Свойства ООС: увеличивается стабильность коэффициента усиления; нестабильность значения К_U(ОС уменьшается в (1 + Кæ) раз. То есть K_U(ОС) » 1/æ. Это свойство используется для стабилизации режима работы активного элемента, для расширения АЧХ, уменьшения нелинейных искажений. Входное сопротивление усилителя возрастает: R_ВХ(ООС) = R_ВХ(1 + Кæ). Выходное сопротивление усилителя уменьшается: R_{ВЫХ(ООС)} = R_ВЫХ(1 + Кæ). Последние свойства характерны для каскада с ОК (ОИ или повторителя напряжения), называемого эмиттерным повторителем.

Вопросы для самотестирования

1 Приведите определение усилителя и укажите его основные параметры.

2 Укажите возможные варианты подачи сигнала на дифференциальный каскад.

3 Приведите схему инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя и формулы, определяющие его основные параметры.

4 Когда возможно возбуждение (генерация) в усилителе?

1.5 Генераторы гармонических сигналов

Генераторы сигналов можно разделить на генераторы гармонических сигналов и релаксационные генераторы. Всякий генератор можно представить приведённой далее обобщённой функциональной схемой, рисунок 1.24.

Рисунок 1.24 – Обобщённая функциональная схема генератора

Процесс возбуждения характеризуется граничным условием, связанным с сопротивлением потерь: r_П = 0 или Q = µ. Незатухающие колебания возникают и при r_П < 0 (при этом условии w_К ¹ w₀). Наличие отрицательного сопротивления создаёт не гармонический, а релаксационный сигнал. Условие r_П < 0 обеспечивает электрическая схема.

Гармонические и релаксационные колебания – крайние случаи автоколебаний. Частота гармонических колебаний и амплитуда релаксационных колебаний малочувствительны к внешним воздействиям. А изменение частоты гармонических колебаний сопровождается изменением их амплитуды. Частота релаксационных колебаний сильно зависит от внешних воздействий.

Резонансная система в полосе частот от f₁ до f₂ имеет отрицательное сопротивление, которое является необходимым условием для возбуждения генератора. Относительная нестабильность частоты автогенератора определяется по формуле . При Q>100 можно считать: d_f » a^0,5/Q ( – коэффициент, определяемый параметрами резонансной системы). То есть высокодобротные резонаторы уменьшают нестабильность частоты генератора. Примером генераторов гармонических колебаний могут служить базовые схемы, построенные на операционных усилителях.

Генератор с Г-образным фильтром в цепи обратной связи, рисунок 1.25.

Частота генерации определяется частотно-зависимой обратной связью и равна значению частоты, при котором вносимый фазовый сдвиг равен 180^О. Так как коэффициент передачи цепи обратной связи равен , то инвертирующий усилитель на операционном усилителе должен компенсировать эти потери. Его коэффициент усиления не должен быть менее 29: R_OC/R₀ ³ 29.

На практике часто делают выбор: R₁ = R₂ = R₃||R₀ = R ; а также, C₁ = C₂ = C₃ = C. При этом частота генерации определяется выражением .

Генератор с мостом Вина. Мост Вина применяется в цепи обратной связи, и вносимый им фазовый сдвиг на частоте генерации равен нулю, рисунок 1.26. Так как неинвертирующий усилитель на ОУ не инвертирует входной сигнал, то в этой схеме имеется положительная ОС.

Рисунок 1.25 – Генератор с Г-образным фильтром в цепи обратной связи

Коэффициент передачи моста Вина на частоте генерации равен . Поэтому коэффициент усиления усилителя на ОУ должен быть не менее трёх: R_ОС/R₀ ³ 2 . Частота генерации определяется номиналами элементов моста Вина:

(1.20)

Рисунок 1.26 – Генератор с мостом Вина

 Основной вариант широко используемых генераторов на биполярном транзисторе приведен на рисунке 1.27. Замена ёмкости в параллельном колебательном контуре на переменный конденсатор или варикапы позволяет превращать данный генератор в перестраиваемый по частоте генератор (вручную или электронно-управляемый). Генератор на рисунке 1.27 используется в широкой полосе частот (0,1¸500 МГц). Резистор отрицательной обратной связи R_э1 уменьшает вес высших гармоник. Напряжение с выхода потенциометра I_к также может представлять собой регулирующее напряжение для стабилизации амплитуды выходного сигнала.

Рисунок 1.27 – Маломощный генератор на LC элементах

Рекомендуются следующие параметры схемы X_ср » 100 Ом; X_с1 » X_с2 » 50 Ом; L_к = 1/(w²_minC_max) = 1/(w²_maxC_min); X_ск £ R_н/10; X_Сбл £ 1 Ом; X_др ³ 3 кОм; X_Lб ³ 2 кОм.