III.3. Влияние обратной связи на свойства усилителя.

Обратная связь изменяет основные свойства усилителя. Под действием ОС изменяется коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, коэффициент гармоник, стабильность усиления, частотная, фазовая и переходная характеристики и др.

Составив и решив уравнения Кирхгофа для схем, изображённых на рис.3.2,

и учитывая выражения (3.1)  (3.4), получим:

• для положительной ОС (рис.3.2а):

К_СВ = U_ВЫХ / (U_ВХ – U_СВ) = К / (1 – К) …….. (3.7).

• для отрицательной ОС (рис.32б):

К_СВ = U_ВЫХ / (U_ВХ + U_СВ) = К / (1+ К) ……… (3.8).

Эти уравнения показывают, что положительная ОС при 0 < К 1 увеличивает коэффициент усиления усилителя, а отрицательная ОС при любой величине К уменьшает коэффициент усиления в 1 + К раз. Произведение К представляет собой коэффициент усиления вдоль петли ОС, поэтому его называют петлевым усилением; величину 1 + К называют глубиной ОС.

Можно показать, что напряжение помех и коэффициент гармоник усилителя, охваченного отрицательной ОС, оказывается меньше напряжения помех и коэффициента гармоник того же усилителя при той же выходной мощности без ОС. Следовательно, ООС уменьшает вносимые усилителем помехи и его нелинейные искажения в (1 + К) раз.

Положительная ОС влияет на помехи и искажения обратным образом: из выражения (3.5) следует, что положительная ОС увеличивает усиление лишь при 0  К  1; при К= 1 коэффициент усиления устройства становится бесконечно велик, что фактически соответствует самовозбуждению устройства. При К 1 усилитель с ПОС превращается в генератор незатухающих колебаний, который уже не может усиливать подводимые к нему электрические сигналы; поэтому самовозбуждение усилителя в условиях эксплуатации недопустимо. При 0 < К  1 ПОС увеличивает, кроме усиления, помехи, искажения и коэффициент гармоник.

Вследствие снижения отрицательной ОС внутренних помех усилителя, фона и нелинейных искажений её широко используют в мощных усилителях, работающих в режиме В. Применение ООС позволяет получить высококачественное усиление с большим динамическим диапазоном и малыми нелинейными искажениями при высоком КПД усилителя. Правда, снижение усиления, вызываемое её введением, заставляет повышать усиление предварительного усилителя, в состав которого вводят для этой цели дополнительный каскад. Однако стоимость такого дополнительного каскада ничтожна по сравнению с экономией, которая получается из-за уменьшения стоимости всего устройства и улучшения его показателей.

При эксплуатации усилительных устройств их коэффициент усиления изменяется вследствие ряда дестабилизирующих факторов: изменение напряжения источников питания, изменение температуры окружающей среды, влажности, старение компонентов усилителя и самого УЭ и т. д.

Уменьшить изменения коэффициента усиления можно стабилизацией напряжения питания и температуры окружающей среды, однако это дорого и сложно, а в ряде случаев даже эти меры не позволяют получить нужного постоянства коэффициента усиления. Введение в усилитель ООС уменьшает изменение коэффициента усиления или, что то же самое, увеличивает стабильность коэффициента усиления во столько же раз, во сколько снижается сам коэффициент усиления. Поэтому ООС используют в усилителях, коэффициент усиления которых должен мало изменяться в рабочих условиях, например, в усилителях измерительных приборов, усилителях дальней связи и т.п.

При введении ООС для стабилизации коэффициента усиления ею необходимо охватывать все каскады, так как усиление каждого из них может изменяться. При использовании ООС для снижения коэффициента гармоник усилителя иногда достаточно охватить обратной связью лишь оконечный каскад, так как именно он вносит основные нелинейные искажения.

Рассмотренные свойства ООС (уменьшение усиления, помех и нелинейных искажений, повышение стабильности усиления усилителя и др.) являются общими для всех способов снятия ОС с выхода усилителя и введения её во входную цепь. Влияние же ОС на входное и выходное сопротивления усилителя зависит от способа её снятия и введения.

Влияние ООС на входное сопротивление усилителя зависит от способа её подачи во входную цепь.

При последовательной ООС входное сопротивление увеличивается

(рис.3.10).

Рис.3.10. Последовательная отрицательная обратная связь.

Z_ВХ.СВ. = Z_ВХ.(1 + К) …………… (3.9),

в результате чего растёт активная составляющая входного сопротивления и падает динамическая входная ёмкость:

R_ВХ.СВ.= R_ВХ.(1 + K);

С_{ВХ.Д.СВ.}= С_ВХ.Д./ (1 + К) …………… (3.10).

Физически повышение входного сопротивления и уменьшение динамической входной ёмкости при последовательной ООС объясняется тем, что напряжение ОС (U_СВ.) вычитается из подаваемого на вход схемы напряжения (U) и ко входу усилителя оказывается приложенным напряжение U – U_СВ, меньшее, чем U, в результате чего входной ток усилителя падает. Что касается входной динамической ёмкости при таком способе введения ООС, то она будет складываться из входной ёмкости каскада и последовательно с ней включённой ёмкости цепи ОС, в результате чего суммарная динамическая ёмкость будет уменьшаться.

При параллельной ООС входное сопротивление усилителя уменьшается (рис.3.11).

Рис. 3.11. Параллельная отрицательная обратная связь.

Это объясняется тем, что в данном случае параллельно входу усилителя подключается сопротивление Z_СВ., к которому приложено напряжение U_ВХ.+ U_СВ.= U_ВХ  (1 + U_СВ./ U_ВХ.), что эквивалентно подключению параллельно входу усилителя сопротивления Z_СВ./ (1 +К).

Выходное сопротивление усилителя зависит от способа снятия ООС с выходной цепи.

При ООС по напряжению выходное сопротивление падает

(рис.3.12).

Рис. 3.12. Влияние отрицательной обратной связи на выходное сопротивление усилителя при связи по напряжению.

Влияние ООС на выходное сопротивление можно пояснить следующим образом. При увеличении сопротивления нагрузки выходной цепи напряжение сигнала на ней возрастает. При ОС по напряжению это приводит к увеличению напряжения обратной связи. В результате напряжение на входе усилителя, равное разности (U – U_СВ), падает, и поэтому выходное напряжение возрастает меньше, чем при отсутствии ООС, что эквивалентно уменьшению выходного сопротивления усилителя.

При ООС по току выходное сопротивление усилителя увеличивается (рис.3.13).

Рис. 3.13. Влияние отрицательной обратной связи на выходное

сопротивление усилителя при связи по току.

Это можно объяснить следующим образом. При увеличении сопротивления нагрузки ток через неё уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения ООС. В результате выходное напряжение растёт больше, чем без ООС, а это эквивалентно повышению выходного сопротивления усилителя.

Рассмотренные свойства ООС показывают, что для уменьшения коэффициента гармоник, снижения нестабильности усиления и т.д. с её помощью можно изменить как входное, так и выходное сопротивления усилителя в нужную сторону, для чего достаточно применить соответствующий способ её введения и снятия. Если изменение входного и выходного сопротивления при простейших способах введения и снятия оказывается слишком большим, а также в случаях, когда эти сопротивления желательно оставить неизменными, используют комбинированную по входу или выходу ООС.

Обратная связь, кроме рассмотренных параметров усилителя, изменяет его частотную фазовую и переходную характеристики. Следует иметь ввиду, что ОС изменяет частотную и фазовую характеристики только той части устройства, которая входит в петлю ОС; характеристики остальных каскадов, не входящих в петлю, остаются неизменными.

Если цепь ОС в рассматриваемой полосе частот не вносит частотных искажений и фазовых сдвигов, то такую ОС называют частотно-независимой.

Частотно-независимая ООС уменьшает частотные искажения и фазовые сдвиги, вносимые усилителем, а частотно-независимая ПОС увеличивает их.

Если же цепь ОС в рассматриваемой полосе частот вносит частотные искажения и фазовые сдвиги, – обратную связь называют частотно-зависимой.