6.3. Обратные связи в усилителях

6.3.1. Виды обратных связей

Ч

Рис. 6.9. Простейшая функциональная схема усилителя с ОС

тобы усилительные каскады позволили реализовать требуемые высокие технические показатели, практически во всех современных электронных усилителях вводятся специальные цепи обратной связи (ОС). При ОС энергия сигнала передается в направлении обратном направлению усиливаемого сигнала (рис. 6.9), т.е. от последующих цепей в предшествующие (из выходных цепей усилителя во входные).

Усилитель с коэффициентом усиления K_u, охвачен цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь ОС совместно с цепью усилителя, которую она охватывает, образует замкнутый контур, называемыйпетлей ОС.

Произведение

β K_u

в усилительной технике называют петлевым усилениемили фактором ОС.

О

Рис. 6.10. Многопетлевая схема усилителя с ОС

братная связь влияет на такие показатели усилителей (усилительных каскадов), как сквозной коэффициент усиления, входное и вы­ходное сопротивления, стабильность коэффициента усиления, АЧХ, коэффициент гармоник иуровень шума и помех. Обратная связь изменяет технические показатели только той части усилителя, которая охватывается петлей ОС. Различают однопетлевую обратную связь (см. рис. 6.9) и многопетлевую (рис. 6.10).

Обратная связь, охватывающую лишь один каскад усилителя (цепи с β₁и β₂), называютместнойОС, а ОС, охватывающую несколько каскадов (цепь с β) –общейОС (см. рис. 6.10). В зависимостиот схемной реализации усилителяОС может быть осуществлена по постоянному току, по переменному току, а также и по постоянному и по переменному току.

Взависимостиот способа получения сигналаU_ocразличают ОСпо токуинапряжению:

• если цепь ОС подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке (R_н), то напряжение ОС (U_ос) будет пропорционально напряжению на выходе, такую ОС называютОС по напряжению (рис. 6.11,a);

• если же цепь ОС подключена к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет пропорционально току в нагрузке (I_н); такую ОС называютОС по току (рис. 6.11, б).

Возможна комбинация этих способов подключения цепи ОС к выходу, в этом случае сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи. Эта ОС называется комбинированной (рис. 6.11, в).

По способу подачи сигналаОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС и смешанную:

• обратную связь называют последовательной, если сигнал ОС действует во входной цепи последовательно с входным сигналом (U_вх), приэтом происходит суммирование входного напряжения (U_вх)и напряжения ОС (рис. 6.12, а);

• если же цепь ОС подключается ко входу параллельно источнику сигнала, то ОС называютпараллельной (рис. 6.12, б). При этой связи происходит суммирование токовI_вхи ОС;

• всмешаннойсхеме введения ОС с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС (рис. 6.12, б).

Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительная ОС (ПОС) возникает в том случае, когда напряжение обратной связи (U_ос) совпадает по фазе с входным напряжением (U_вх). Если напряжение обратной связи (U_ос) противоположно по фазе входному напряжению (U_вх), т.е. они сдвинуты относительно друг друга на 180º, то ОС называетсяотрицательной (ООС). В усилительных устройствах в основном применяется ООС.

И

Рис. 6.13. Структурная схема усилителя с последовательной ООС по напряжению

, наконец, если коэффициент передачи обратной связи (β) в рабочем диапазоне частот усиления не зависит от частоты, то ОС называетсячастотно-независимой. Если же β является функцией частоты, то ОС называетсячастотно-зависимой.

Наиболее распространенной в усилителях является последовательная отрицательная ОС по напряжению (рис. 6.13). Рассмотрим влияние этого вида ОС на характеристики и параметры усилителя. Здесь усилитель с коэффициентом усиления

K=U_вых/U_вх

охвачен ОС с коэффициентом передачи

β=U_ос/U_вых,

где коэффициент β может принимать значения от 0 до +1 при положительной ОС и от 0 до -1 при отрицательной ОС.

В общем случае напряжение ОС определяется из выражения:

U_ос= ± βU_вых.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, равен:

K_ос=U_вых/U_вх.

Напряжение U*_вх, поступающее на вход усилителя, в общем случае является суммой напряженийU_вхиU_ос:

U*_вх=U_вх+U_ос.

Учитывая, что

U_ос= ±βU_вых,

получим:

U*_вх=U_вх+ ( ±βU_вых).

Отсюда

U_вх=U*_вх– ( ±βU_вых).

Тогда коэффициент усиления усилителя с ОС равен:

K_ос=U_вых/ [U*_вх– ( ±βU_вых)].

Разделим числитель и знаменатель последнего выражения на U*_вх, получим:

K_ос= [U_вых/U*_вх] / [ 1 – ( ±βU_вых/U*_вх)],

Но

U_вых/U*_вх=K.

Таким образом, выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного ОС, принимает вид:

K_ос=K/ [1 – ( ±βK)],

где (1 ± βK) – называютглубиной ОС. Знак перед фактором ОС βKсовпадает со знаком самой ОС.

При положительной ОС знаменатель дроби уменьшается:

K_ос=K/ [1 – βK],

а коэффициент усиления возрастает. Значение петлевого усиления при этом ограничивается условием:

βK< 1.

При βK≥ 1, называемогоусловием самовозбуждения, усилитель теряет устойчивость и не может рассматриваться как усилитель, так как выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного. Этот режим используется в генераторах.

При отрицательной ОС знаменатель возрастает:

K_ос=K/ [1 + βK],

а коэффициент усиления падает.

Несмотря на уменьшение усиления, отрицательная ОС широко используется в усилителях, так как при ее введении удается улучшить ряд других параметров.

Особое значение для работы усилителя имеет стабильность коэффициента усиления. При работе усилителя его коэффициент усиления не остается постоянным, а изменяется вследствие различных дестабилизирующих факторов: старения усилительных и других элементов, изменения температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения источника питания и т.д.

Изменение коэффициента усиления оценивается относительным изменением коэффициента усиления:

или

С учетом, что

,

.

Таким образом, относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной ОС, уменьшается в (1 + βK) раз.

При βK>> 1 (при глубокой ОС)

.

То есть коэффициент усиления схемы, охваченной глубокой отрицательной ОС, практически не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а определяется только коэффициентом передачи ОС. Цепь ОС состоит из пассивных элементов, резисторов, которые можно выполнить очень стабильными. В результате удается создавать усилители с очень высокой стабильностью усилителя.