4.2.4. Влияние отрицательной обратной связи на линейные искажения (частотные, фазовые и переходные) усилителей

Для оценки влияния любой ООС на линейные искажения используется полученное (4.7) и приведенное в п.1. «Таблицы показателей усилителей с ООС» общее выражение для сквозного коэффициента усиления усилителя с ООС в комплексном виде К^*_ОС, которое представляют в виде модуля и аргумента

(4.29)

и по нему строят частотную (4.30) и фазовую (4.31) характеристики усилителя с ООС:

К^*_ОС=₁(f); (4.30)

_К*ос=₂(f). (4.31)

Для этого в выражение (4.29) подставляют значения К^* и  в комплексном виде, находя их по частотным и фазовым характеристикам усилителя без ООС и цепи ООС (или по эквивалентным схемам усилителя без ООС и -цепи) для различных значений частоты в пределах полосы пропускания частот усилителя. Определив таким путем К^*_ОС, находят его модуль К^*_ОС и фазовый угол _К*ос для этих частот, а затем по точкам строят частотную (4.30) и фазовую (4.31) характеристики устройства с ООС.

При этом необходимо помнить, что ООС изменяет частотную и фазовую характеристики только охватываемых ею частей усилителя (входящих в петлю ООС).

Следует отметить довольно большую трудоемкость этого аналитического метода расчета частотных и фазовых характеристик усилителя с ООС.

По рассчитанным частотным и фазовым характеристикам устройства с ООС можно в случае необходимости найти переходную характеристики этого устройства с ООС, поскольку между ними существует достаточно жесткая однозначная связь, о чем говорилось в §3.8 главы 3.

В порядке иллюстрации рассмотрим влияние ООС на частотную характеристику усилителя в двух случаях: с частотнонезависимой ООС

(-величина действительная, не зависящая от частоты) и с частотнозависимой ООС (-величина комплексная, зависящая от частоты).

а) влияние частотнонезависимой ООС на частотную характеристику усилителей

На (рис.4.12) представлен один из возможных вариантов частотно-независимой последовательной ООС по напряжению.

Kвх.ц



К

Рис. 4.12

Uвх

Еист

Iвх

Iвых

Zн(Rн)



U_ОС

Uвых

С_0

R1

R2

С_рОС

Iист

Zист(Rист)

Сначала несколько слов о емкостях схемы С_рОС и С_0, обозначенных пунктиром. Емкость С_рОС, включенная последовательно с -цепью, служит для разделения выхода усилителя и цепи ООС по постоянному току и связи их по переменному току (по сигналу). Для получения частотно-независимой ООС эта емкость должна выбираться достаточно большой, чтобы ее сопротивление практически не влияло на коэффициент передачи -цепи в полосе пропускания частот усилителя.

Емкость же С_0, действующая параллельно выходу -цепи, это небольшая монтажная емкость схемы, поэтому ее сопротивление в полосе пропускания усилителя достаточно велико и оно практически не шунтирует выход -цепи, и, следовательно, также не влияет на коэффициент передачи

-цепи.

На схеме рис. 4.12 эти емкости обозначены пунктиром потому, что их влияние на -цепь в полосе пропускания усилителя пренебрежимо мало.

В соответствии с изложенным будем иметь:

.

Частотные характеристики -цепи усилителя без ООС и усилителя с ООС будут иметь вид (рис. 4.13 а,б).

Как видно, частотнонезависимая ООС расширяет частотную характеристику охватываемого усилителя, как в области высоких, так и в области низких частот, то есть уменьшает частотные искажения на верхних и нижних граничных частотах f_в и f_н.

Аналитически это выражается формулой

, (4.32)

которая приведена в п.9 «Таблицы показателей усилителей с ООС». В этой формуле М и М_ОС - коэффициенты частотных искажений соответственно без ООС и с ООС.

Физически уменьшение завалов частотной характеристики на высоких и низких частотах объясняется тем, что частотнонезависимая ООС, снижая сквозной коэффициент усиления во всей полосе пропускания усилителя, на высоких и низких частотах снижает его в меньшей степени чем на средних частотах из-за меньших значений сквозного коэффициента усиления усилителя без ОС, петлевого усиления К^* и сквозной глубины ООС F^*=1+К^* на высоких и низких частотах. Таким образом, уменьшение частотных искажений достигается ценой снижения усиления устройства, которое обычно компенсируется введением дополнительного каскада предварительного усиления.

Наряду с частотной характеристикой частотнонезависимая ООС улучшает фазовую и переходную характеристики. Поэтому частотно-независимая ООС очень широко применяется в усилительных и других устройствах РС, РВ и ТВ.

б) влияние частотнозависимой ООС на частотную характеристику усилителей

Рассмотрим этот вопрос по схеме, приведенной на рисунке 4.14



К

Рис. 4.14

Uвх

Еист

Iвх

Kвх.ц

Iвых

Zн(Rн)



U_ОС

С_0

R1

R2

С_рОС

Iист

Zист(Rист)

Uвых

По конфигурации эта схема совпадает с ранее рассмотренной схемой (рис.4.12), отличаясь от нее наличием емкостей С_рОС и С_0, пренебречь влиянием которых на коэффициент передачи -цепи, как это было в схеме на рисунке 4.12 , уже нельзя. В этой схеме -четырехполюсник является частотно-зависимым делителем напряжения сигнала с выхода усилителя, коэффициент передачи которого уменьшается в области низких частот полосы пропускания усилителя (вследствие возрастания сопротивления последовательной емкости ) и в области высоких частот (из-за уменьшения сопротивления параллельной емкости , шунтриующий выход -цепи).

Коэффициент передачи -цепи и сквозной коэффициент усиления усилителя с такой ООС будут комплексными величинами, зависящими от частоты:

; .

Частотная характеристика такой -цепи и частотная характеристика усилителя с такой частотнозависимой ООС будут иметь вид (рис.4.15,а,б).

Как видно, завал частотной характеристики -цепи на высоких и низких частотах полосы пропускания усилителя приводит к подъему частотной характеристики устройства с такой ОС на этих частотах. Это объясняется тем, что с уменьшением модуля  и модуля К^* на крайних частотах уменьшается и сквозная глубина ООС F^*=1+К^* на этих частотах, что приводит к меньшему снижению усиления устройства на крайних частотах по сравнению со средними частотами (рис.4.15 б).

а)



С_0(Х_С0=1/С_0)

С_рОС(Х_СрОС=1/С_рОС)

f

б)

К^*, К^*_ОС

К^*

К^*_ОС

f

fн

fв

Е_истОС

Е_ист.ОС

Е_ист.ОС

Е_ист

Е_ист

_К*=180

Е_ист

_К*

_К*

U_ос

U_ос

U_ос

Рис. 4.15

Если при этом учесть еще и влияние изменений с частотой угла сдвига фаз в петле ООС между Е_ист.ОС и U_ОС (см. векторные диаграммы на средних, высоких и низких частотах на рис. 4.15,б), то подъемы частотной характеристики устройства с такой ООС на высоких и низких частотах будут еще больше (см. пунктир на рис. 4.15,б).

Из приведенного рассмотрения следует, что частотнозависимая ООС изменяет частотную характеристику охватываемого ею устройства по закону, обратному закону изменения с частотой коэффициента передачи -цепи.

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. Использование частотнозависимой ООС в ОУ позволяет создавать на их базе многочисленные устройства аналоговой обработки сигналов, о чем будет говориться подробно в главе, посвященной схемотехнике операционных усилителей.

Одновременно с частотной характеристикой обратная связь изменяет фазовую и переходную характеристику. Их можно найти по известной частотной характеристике устройства с ОС (см. §3.8).