Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989
.pdfбыло при замкнутой петле, т. е. равное входному сопро
тивлению петли ОС в точках разрыва.
Напряжение, измеренное на выходных выводах петли
ОС, называется возвратным, а отношение возвратного
напряжения к напряжению на входных выводах петли
ОС, взятое с обратным знаком, называется возвратным отношением и определяется по формуле
!: =-!!(5, |
(2.2) |
где В - комплексный коэффициент передачи цепи ОС;
К - комплексный коэффициент усиления усилителя без
ОС.
Отрицательный знак этого напряжения соответствует
.повороту его фазы в петле ОС на 1800, что характерно
для устойчивой p-а60ТЫ усилителя. Отсутствие сдвига по
фазе при прохождении сигнала по петле ОС при опреде ленных условиях может сделать усилитель неустоЙчивым.
2.1.3. ВОЗВРАТНАЯ РАЗНОСТЬ
Помимо возвратного отношения для количественной
характеристики ОС пользуются понятием возвратная раз
ность F - разность между напряжением, ~oдaHHЫM
в разрыв петли ОС и возвратившимся к тем же точкам петли после ее обхода:
F = 1- В К. |
(2.3) |
Возвратная разность является количественной мерой оценки влияния ОС на параметры усилителя:
!SF = !9f = [5/( 1- !! ТS), |
(2.4) |
где Кр - коэффициент усиления усилителя с ОС.
Из (2.4) следует, что коэффициент усиления усилите ля с ОС зависит от знака возвратного отношения, т. е.
от того, какая в данном С,Т}учае действует ОС: отрuца
тельная или положительная. Это легко определяется по возвратной разности. При отрицательной ОС возвратное,
отношение имеет отрицательный знак, а возвратная раз
ность р= l+BK. В случае положительной ОС возвратное
отношение имеет положительный знак, а возвратная раз
ность р= l-BK. Однако знак возвратного отношения,
так же как и понятия отрицательная и положительная
ОС, имеют смысл только в средней части диапазона уси ливаемых частот. Это связано <: тем, что усилительным
51
каскадам присущи заметные фазовые сдвиги сигналов на
краях частотного диапазона. В результате этого явления
вместо организоваююй отрицательной или положитель
ной ОС в усилитtле на краях частотного диапазона будет действовать комплексная ОС.
В том случае, когда сигнал, подаваемый от источника
на вход усилителя, и сигнал, поступающий с выхода на
вход усилителя через цепь ОС, находятся в противофазе
и результирующий сигнал равен разности этих сигналов,
ОС наз_ывается отрицательной. Если результирующий
сигнал равен сумме сигналов, то ОС положительная. При отрицательной ОС происходит ослабление усиливаемого
сигнала. Однако действие отрицательной ОС в основном наблюдается только в области средних частот, где уси
лительныее каскады создают незначительные фазовые сдвиги усиливае~ых сигналов. Положительная ОС при
меняется в усилителях в редких случаях и, как правило,
в сочетании с отрицательной ОС.
Действие отрицательной ОС оценивается глубиной
(фактором) ОС, равной модулю возвратной разности. Из (2.3) следует, что глубина ОС зависит от ее типа, т. е. от знака «плюс» или «минус» перед вк. Она может быть
меньше или больше единицы. Например, при отрицатель
ной ОС коэффициент усиления усилителя уменьшается.
В случае поJroжительной ОС коэффициент усиления уси
лителя увеличивается, но ухудшается его стабильность.
2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБРАТНЫХ
СВЯЗЕй
в усилительных устройствах помимо деления ОС на
отрицательную, положительную и комплексную проводят
их классификацию по способу передачи сигнала ОС с вы хода нд вход усилителя и по способу его подачи во вход ную цепь. Иными словами, в усилителе различают ОС
по напряжению, по току, по напряжению и току OAHOBre-
менно (смешанные), а также с последовательной, парал
лельной и комбинированной подачей сигнала.
Е~и сигнал ОС пропорционален выходному напря жению, то в усилителе осуществляется ОС по напряже
нию (параллельная по выходу). В том случае, когда сигнал ОС пропорционален выходному току, в усилите,lе реализуется ОС по току (последовательная по выходу).
Обратная связь, при которой сигнал ОС пропорционален
52
Рис. 2.2. Мноrоканальиые местные обратные связи:
g - независимые: б - перекре-
щивающиеся
о-щ
ш
5)
и выходному напряжению, и выходному току, называется
смешанной.
Чтобы правильно определить, какая ОС дей~твует в усилителе, необходимо помнить, что ОС по напряжению
становится максимальной при холостом ходе на выходе
и минимальной при коротком замыкании, а ОС по току будет минимальной (равной нулю) при холостом ходе на выходе и максимальной при коротком замыкании.
В современных усилительных устройствах сигналы ОС могут подаваться по нескольким цепям или каналам ОС. Такая ОС называется мн,оготсан,альн,ой. Существуют раз
ные конфи~урации связей в многоканальной ОС, напри
мер только местные н,езавuсuмые петли ОС (рис. 2.2, а),
только местные nеретсрещuвающuеся петли ОС (рис.
2.2, б) и их различные комбинации. Кроме того, в усили телях при наличии местных ОС, которые в общем случае могут быть как отрицательными, так и положительными, почти всегда имеется общая, как правило, отрицательная ОС (рис. 2.3, а).
Возникновение многоканальной ОС можно наблюдать
в усилителях, изготовленных по микроэлектронной тех
нологии, где появляются внутренние электрические и теп
ловые ОС, действие которых аналогично действию мест ных ОС [7]. Если внутренние ОС в усилителе, изготов ленном по интегральной технологии, не учитываются
и имеется только одна общая отрицательная ОС, он изо
бражается структурной схемой, показанной на рис.
2.3, б.
В зависимости от того, на основе каких элементов ре ализуется четырехполюсник цепи ОС, различают частот ио-независимую и частотно-зависимую, лииейную и ~ели-
53
Н,. I |
-~" Рис. 2.3. Местные и |
общая |
||
1+ |
|
|
обратные СВЯЗИ: |
|
8,;.t |
8n |
fI - |
неЭ8внснмые местные в об |
|
|
|
щая |
обратные связи; 6 - опа |
|
L -------1 В I----- |
I |
общая обратная связь |
||
J |
|
|
||
о)
LЮ-ill-§-ШТ'
1---- |
~0t------ |
' |
|
6) |
|
нейную, пассивную и активную ОС. В обычных линейных
апериодических усилителях используются цепи внешией
ОС, выполиенные на линейиых частотно-независимых пасснвных элементах. В избирательных линейных усили телях цепи внешней ОС осуществляются на линейных частотно-зависимых пассивных элементах. Внелинейных
Фу-нкциональных усилителях в цепи ОС применяются не
линейные пассивные или активные элементы. Активные
элементы в цепях ОС в усилительных устройствах встре
чаются крайне редко. Примером может служить гиратор
с УЭ в цепи ОС.
Следует отметить, что приведенные основные струк
турные схемы усилителей с ОС не исчерпывают всего
многообразия известных схемных решений и в случае не
обходимости с ними можно ознакомиться в [7, 13].
2.3. ВИДЫ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕН
2.3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Для выяснения влияния ОС на основные параметры
усилителя последний представляется в виде соединения
двух четырехполюсников, один из которых активный с ко
эффициентом передачи К (собственно усилитель), а дру гой пассивный с коэффициентом передачи В (цепь ОС).
Соединение двух четырехполюсников может быть вы
полнено четырьмя способами: последовательно-последо
вательным (последовательным). параллельно-параллель ны\{ (параллельным). последовательно-параллельным
и параллельно-последовательным. Первое слово в назва нии способа соединения четырехполюсников соответству-
54
Рис. 2.4. Структурные схемы усилителей с обратными связями:
(J - посnеD.оватеnьно-посnедовательноll; 15 - парзnnеnьно-параnnеnьноll; 8 - по
сnедоваТf:nЬВG-параВneJIЬНОЙ; г - параллельно-посnедоватеnьной
ет соединению выводов четырехполюсников со стороны
входа усилителя с ОС, последнее - соединению выводов
четырехполюсников со стороны выхода усилителя (рис.
2.4).
2.3.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
При последовательном соединении усилителя и цепи
ОС (см. рис. 2.4, а) их напряжения включены последо
вательно, ток во входной цепи усилителя на всех его участках одинаковый. Так как вход четырехполюсника К
и выход четырехполюсника В соединены последовательно
с источником сигнала, то при подаче на вход усилителя
сигнала от идеального генератора тока (Zr==OO) петля ОС размыкается и напряжение ОС не подводится к вход ным выводам усилителя. В этом случае ОС исчевает. Поэтому последовательную ОС по входу эффективнее
всего применять при работе усилителя от источника
сигнала с малым внутренним сопротивлением.
Выходная цепь усилителя с ОС также представляет
собой последовательное соединение выхода четырехпо
люсника К, входа четырехполюсника В и нагрузки. В вы
ходной последовательной цепи по всем ее участкам течет
один и тот же ток 12. который на элементах цепи ОС соз-
55
дает падение напряжения, пропорцноналъное напряже
нию ОС. Таким образом, напряжение ОС зависит от вы
ходного тока, поэтому такой вид ОС называется после
довательной по ТОку. Помимо того последовательное
соещшение четырехполюсников при анализе описывается
Z-параметрами и ОС называется также связю Z-rиnа.
При холостом ходе на выходе усилителя ток равен
нулю, напряжение ОС также равно нулю, т. е. ОС по току
исчезает.
2.3.3. ПАРАЛЛЕЛЬНО
ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
При параллелъном соединении выводов четырехпо
люсников К и В (см. рис. 2.4, б) усиливаемый входной
ток /, и ток обратной связи /ос ВО входной цепи усили теля суммируются. Так как в выходной цепи усилителя,
охваченного ОС, выводы этих четырехполюсников также
соединяются параллельно, выходное напряжение и2 одно
и то же как на выходе усилителя, так и на входе цепи ОС. Следовательно, ток ОС / ос является функцией выходного
напряжения и2, т. е. в этом случае осуществляется ОС по напряжению. Поэтому ОС такого вида называется nараллельной по напряжению.
В режиме короткого замыкания на выходе усилителя
выходное напряжение и2 равно нулю, ОС по напряжению исчезает, так как ток ОС /ос, зависящий от этого напря
жения, тоже равен нулю.
Кроме того, если усилитель с параллельной ОС по на
пряжению работает с идеальным источнико~ напряжения
(Zr=O), то ОС переСтает стабилизировать выходное на пряжение, так как ток I oc не в состоянии изменять на
пряжение на входных выводах усилителя, замкнутых на
коротко равным нулю сопротивлением источника сигнала.
Из этого следует, что использовать параллельную ОС по напряжению при работе от источника сигнала с ма.'!ЫМ
внутренним сопротивлением нерационалъно.
Поскольку параЛJJельное соединение двух четырехпо
ЛЮСНlшов при анализе удобно описывать с помощью
У-параметров, то такой вид ОС называют связью У-типа.
56
2.3.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
В случае последовательно-параллельного соединения
четырехполюсников К и В (см. рис. 2.4, 8) напряжения
усиливаемого сигнала, ОС и источника сигнала включе ны последовательно, как и для последовательной ОС (см. рис. 2.4, а). В результате последовательного соединения элементов входной цепи усилителя с ОС и источника
сигнала при бесконечно большом внутреннем сопротив
лении последнего цепь ОС размыкается и напряжение ОС не подводится к входным выводам усилителя. Таким образом, при последовательной ОС по входу нерацио
нально использовать источник сигнала с большим вну
тренним сопротивлением.
При параллельной ОС по выходу выводы обоих че
тырехполюсников соединены между собой параллельно
и на выходных выводах К-четырехполюсника будет та кое же напряжение и2, как и ДJ1Я параллельной ОС (см. рис. 2.4,6). Следовательно, напряжение ОС зависит от выходного напряжения и ОС такого вида называется по следовательной по напряжению. Последовательно-пара"1-
лельное соединение двух четырехполюсников удобно опи
сывать Н-параметрами, поэтому такой вид ОС называет
ся также связью Н-типа.
2.3.5. ПАРАЛЛЕЛЬНО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ
СВЯЗЬ
Параллельно-последовательное соединение четырех
п6люсника К и четырехполюсника В (см. рис. 2.4, г)
в современных одиночных усилительных каскадах встре
чается редко. Это связано с тем, что параллельная ОС
по входу способствует уменьшению входного сопротив ления усилительного каскада, а последовательная ОС по
выходуувеличению выходного сопротивления каскада.
Такая трансформация входного и выходного сопротивле ний усилительного каскада с помощью параллельно-по
следовательной ОС усложняет согласование каскадов
в усилителе, что является одной из причин ее редкого
использования в одиночных каскадах. В усилителях па
раллельно-последовательная ОС находит применение.
57
Параллельная ОС по входу характеризуе1:СЯ суммиро ванием тока ОС и усиливаемого тока, как и в случае па
раллельно-параллельного соединения (см. рис. 2.4, б). При работе усилителя от источника сигнала с крайне ма
лым внутренним сопротивлением на его входе создается
режим короткого замыкания, который ПРИВОдит к исчез
новению ос.
Так как выходные выводы усилителя и IЗходные вы
воды цепи ОС включены последовательно и выходной
ток 12 течет по всем элементам выходной цепи усилителя,
то ток ОС [ос будет зависеть от выходного тока 12. По
зтому параллельно-последовательная ОС на~ывается па
раллельной по току.
Параллельно-последовательное соединеНие четырех полюсников описывается К-параметрами, а такой вид ОС называется также связью К-типа.
2.4. ВЛИЯНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОй ПО ВХОДУ И ВЫХОДУ ОБРАТНОй СВЯЗИ
НА ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕля
Различные ОС в усилителе по-разному влияют на
выбор сопротивления нагрузки и особенно внутреннего сопротивления источника сигнала. НапримеI>. усилитель
с одними видами ОС, неэффективно работает с источни
ком ЭДС, усилитель с другими видами ОС не сочетает ся с источником тока. Это обу<;ловлено тем, Что ОС в уси
лителе оказывает существенное влияние на его входные
и выходные параметры, которые, изменяясь под дейст
вием ОС, плохо согласуются с внутренним сопротивле
нием источника сигнала и нагрузкой.
Анализ влияния ОС на параметры УСИЛf!теля может
быть выполне!! различными методами, среди которых
наибольшее распространение получили ме'год эквива
лентных схем, матричный и топологический.
Усилитель с последовательной ОС по току может
быть представлен эквивалентной схемой, КОТ'орая приве
дена на рис. 2.5. На этой схеме усилительный четырех
полюсник - активный, он изображен в виде зависимого
источника напряжения с Z-параметрами, прИчем в актив
ном четырехполюснике отсутствует внутренняя ОС
(Z12=O). Четырехполюсник ОС является пассивным
58
Рис. 2.5. |
Эквивалеflтиая |
|
|
схема усилителя с последо |
1, |
||
вательной |
обратной связью |
||
|
|||
по току
'- |
.! |
и для упрощения анализа представлен в виде одного
Z-элемента. В общем случае цепь ОС может иметь не
один, а несколько элементов.
Для активного и пассивного четырехполюсников
в комплексной форме записываются уравиения:
~; = ~1I!1 + О~2; |
'!...2 = ~21!] + ?22~2; |
(2.5) |
'!.ос = ~;I !1 +~:2!2; |
':1.2 = ~;1!I +~;2!2. |
(2.6) |
Уравнения четырехполюсника ОС составлены с учетом
того, что его левые выводы являются входными. На ос
нове (2.5) находится матрица Z-параметров усилительно
lЮГО четырехполюсника:
~K = [ ZI1 |
О] |
(2.7) |
Z . |
,_21 _22
Матрица Z-параметров че1ырехполюсника ОС определя
ется из |
(2.6): |
Z.]_ |
|
|
z = |
_11 |
|
|
|
|
z* |
12 |
• |
|
|
[ Z· |
(2.8) |
||
_В |
Z· |
|
||
|
_21 |
_22 |
|
|
Последовательное соединение четырехполюсников харак
теризуется их суммарной Z-матрицей
Zll + Z;I |
0+ Z;2 |
] |
|
~= [ ~21 +~;I |
~22+-~;2 |
• |
(2.9) |
Так как в усилителе с последовательно-последователь
ной ОС четыреХПОЛЮСНИI< ОС предназначен для получе
ния на его входе определенного напряжения ОС, 'кото
рое является функцией выходного тока, то параметр Z;2
имеет важное значение, а другие параметры цепи ОС не должны сильно влиять на свойства усилителя. По-
59
СI{QЛЬКУ выводы цепи ОС соединяются с выходными вы
водами усилителя, то цепь ОС отбирает некоторую часть полезной энергии у нагрузки. Следовательно, не
обходимо уменьшить до минимума сопротивление цепи
ОС z~. Прямую передачу цепи ОС характеризует па
рамётр Z;I' который всегда меньше единицы, если в це ци ос не используются трансформаторы. Чтобы мень
шая часть усиливаемого сигнала терялась на входном
сопро;гивлении цепи ОС, а большая часть доходила до
входа усилителя, необходимо значение параметра ~;1
довести до минимума.
Для выполнения этих очевидиых условий достаточ но, чтобы параметры цепи ОС удовлетворяли следую-
щим неравенствам: ~1I~~;I' ~21~!;1. ~22~~;2' На
практике эти условия выполняются сравнительно легко.
Тогда ~-матрицу усилителя с ОС [см. формулу (2.9)]
можно значительно упростить:
z- |
ZI\ |
Z;2] |
(2.10) |
[- |
- |
||
- - |
~2] |
~22 |
• |
При определении параметров усилителя с ОС необхо
димо учитывать сопротивления нагрузки и ИСТОЧНИI<а
сигнала. С учетом этих сопротивлений и матрицы (2.10) составляется эквивалентная схема для Z-парамеТРО8 (рис. 2.6) и записываются уравнения
~г = (~]\ + ~г) {\ + ~;2{2: |
|
~l = ~2\!\ + (~22 + ~и)!2' |
(2.11) |
На основе (2.11) строится сигнальный граф четырехпо люсника (рис. 2.1, а), а затем граф передачи сигнала
(рис. 2.1, б) и определяются основные параметры уси
лителя без ОС и с ОС. При отсутствии ОС (8=0) из
уравнения (2.11) получаем:
коэффициент усиления тока |
|
~ = ~27~1 = - ~21r(~22 + ~и); |
(2.12) |
коэффициент усиления напряжения |
|
IS. = '!.2/иl =-~21 ~7[~1I (~22 + ~и)]; |
(2.13) |
входное сопротивление |
|
~BX = l!.\/~] = ~11; |
(2.14) |
60