Влияние отрицательной обратной связи на свойства усилителей

Рис.5.1. Усилители с обратной связью

а – общий вид; в – с двумя местными ОС;

б – с общей ОС; г – с местной и общей цепями ОС

 

При охвате цепью ОС нескольких (или всех) каскадов усилителя в нем могут возникать фазовые сдвиги сигнала из-за накала реактивных элементов схемы, что может привести к возникновению паразитной ОС и к самовозбуждению усилителя на отдельных частотах. По этой причине общей целью ОС чаще всего охватывают не более двух каскадов, а остальные каскады (по необходимости) охватывают местными цепями ОС.

В процессе передачи энергии в цепи ОС сигналы на входе и выходе могут быть в противофазе или в фазе. В зависимости от этого обратная связь будет отрицательной или положительной.

Определение. Отрицательной обратной связью (ООС) называется такая обратная связь, посредством которой на вход усилителя подается некоторая часть выходного напряжения, фаза которого отличается от фазы входного сигнала на 180⁰.

Другими словами, U_ОС и U_ВХ находятся в противофазе.

Положительной обратной связью (ПОС) называется такая обратная связь, посредством которой на вход усилителя подается некоторая часть выходного напряжения, фаза которого совпадает с фазой входного сигнала.

Другими словами, сдвиг фаз между U_ОС и U_ВХ равен 0 градусов.

ПОС широко используется в автогенераторах радиопередатчиков, рассматривается в дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов в системе подвижной радиосвязи». В данном учебном пособии подробно рассматривается только ООС.

Цепь ОС (как ООС, так и ПОС) можно присоединить ко входу и выходу схемы усилителя различными способами. При этом различаются:

а) ОС по напряжению (рис.5.2а) − цепь ОС присоединена к выходу схемы параллельно нагрузке, а напряжение обратной связи U_OC пропорционально напряжению на нагрузке;

б) ОС по току (рис.5.2б) − цепь ОС присоединена к выходу схемы последовательно с нагрузкой, а напряжение обратной связи пропорционально току в нагрузке;

в) смешанная обратная связь (рис.5.2в) − в такой схеме напряжение обратной связи U_OC пропорционально как току, так и напряжению на нагрузке. Обратная связь по напряжению находит наибольшее применение, так как действие этого вида связи проявляется в стремлении поддержания постоянным выходного напряжения, а не тока, что обычно и требуется в практических схемах усилителей.

г) параллельная ОС (рис. 5.3а) − напряжение обратной связи U_OC подается параллельно с входным сигналом;

д) последовательная ОС (рис. 5.3б) − напряжение обратной связи U_OC подается последовательно с входным сигналом;

е) комбинированная ОС (рис.5.3в) − напряжение обратной связи U_OC подается одновременно последовательно и параллельно с входным сигналом.

 

I_ВЫХ Z_СВ2

Z_Н U_ВЫХ Z_Н Z_Н

Z_СВ Z_СВ1 Z_СВ3

 

 

U_ОС U_ОС U_ОС

 

а) б) в)

 

Рис.5.2. Обратная связь:

а) по напряжению; б) по току; в) смешанная

Е_ИСТ Е_ИСТ

Z₁

Е_ИСТ

Z₂

 

U_ОС U_ОС

Z₃ U_ОС

 

а) б) в)

 

Рис.5.3. Обратная связь

а) параллельная; б) последовательная; в) комбинированная

 

На практике для упрощенного определения вида обратной связи (по току или по напряжению) используется следующее правило:

Если мысленно замкнуть накоротко цепь нагрузки усилителя и при этом напряжение обратной связи U_ОС сохранится, то действует обратная связь по току.

Если при замыкании нагрузки усилителя напряжение обратной связи превращается в нуль, то действует обратная связь по напряжению.

Различаются частотно-зависимая и частотно-независимая обратная связи. В последнем случае в цепи ОС отсутствуют частотно-зависимые элементы (конденсаторы, катушки индуктивности).

Ниже рассмотрены практические схемы реализации обратных связей.

Последовательная обратная связь по току

Последовательная ОС по току в усилителях (рис.5.4) создается при отключении конденсатора С_Э, шунтирующего резистор R_Э (на рис.5.4 перечеркнут). При подаче сигнала на вход усилителя в его выходной цепи возникает пульсирующий ток, переменная составляющая которого на отдельных участках цепи создает переменное падение напряжения. Так, например, напряжение, создаваемое на резисторе R_Э переменной составляющей тока, является напряжением обратной связи U_ОС. Полярность этого напряжения показана на рисунке 5.4 в скобках. Напряжение U_ОС через резистор R₂ делителя напряжения в цепи базы подается на вход усилителя в противофазе с напряжением входного сигнала и, следовательно, входное напряжение усилителя U″_ВХ с учетом действия ОС уменьшается. Если пренебречь падением напряжения на разделительном конденсаторе C_Р, то можно считать, что входное напряжение U_ВХ приложено к резистору R₂. Относительно точек А и В два напряжения U_ОС и U_ВХ включены последовательно, следовательно, в схеме действует последовательная ОС.

 

 

U_ВЫХ

 

 

U_ВХ U″_ВХ

 

Рис. 5.4. Схема усилителя с последовательной ОС по току

 

Величина обратной связи характеризуется значением напряжения U_ОС. Чем больше это напряжение, тем больше (глубже) обратная связь. Можно считать, что

U_ОС = I_ОС ∙ R_Э , (5.2)

то есть напряжение обратной связи пропорционально величине тока I_ОС. Поэтому такая ОС называется ОС по току.

Если применить ранее указанное правило и мысленно замкнуть цепь нагрузки УЭ, то напряжение обратной связи U_ОС сохранится, что подтверждает наличие в усилителе ОС по току.

Последовательная обратная связь по напряжению

Последовательная ОС по напряжению может охватывать один или несколько каскадов усилителя. В качестве примера можно рассмотреть схему (рис.5.5), в которой цепью ОС охвачено два каскада усилителя.

Последовательная ОС по напряжению создается в цепи, состоящей из вторичной обмотки выходного трансформатора Т_Р и резисторов R_К′ и R_ОС. При подаче сигнала на вход усилителя на вторичной обмотке трансформатора возникает напряжение U_ВЫХ. Это напряжение в цепи резисторов R_К′ и R_ОС создает ток обратной связи I_ОС, который вызывает на резисторе R_К′ падение напряжения обратной связи U_ОС. Полярность напряжения U_ОС на рисунке 5.5 показана в скобках. Это напряжение через резистор R_С подается на вход усилителя в противофазе с напряжением входного сигнала, которое уменьшится до величины U″_ВХ

U″_ВХ = U_ВХ − U_ОС . (5.3)

Таким образом, в схеме действует ООС.

 

А

В R_Н U_ВЫХ

U_ВХ U″_ВХ

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5.5. Схема усилителя с параллельной ОС по напряжению

 

Если пренебречь падением напряжения на разделительном конденсаторе C_Р, то можно считать, что входное напряжение U_ВХ приложено к резистору R_С. Относительно точек А и В, два напряжения U_ОС и U_ВХ включены последовательно, то есть в схеме последовательная ОС. Величина обратной связи характеризуется значением U_ОС

. (5.4)

Из этого выражения видно, что напряжение обратно связи U_ОС находится в прямой зависимости от величины выходного напряжения. Поэтому такая ОС является связью по напряжению.

Если использовать правило и мысленно замкнуть цепь нагрузки выходного каскада, то напряжение U_ОС уменьшится до нуля, то есть в схеме действует ОС по напряжению.

Параллельная обратная связь по напряжению

Параллельная ОС по напряжению в усилителе (рис.5.6) создается за счет резистора R₁, включенного между базой и коллектором транзистора. При подаче сигнала на вход усилителя в выходной цепи транзистора возникает пульсирующий ток, переменная составляющая которого протекает через цепь коллекторной нагрузки (ток I_К), а также через цепь, состоящую из резисторов R₁ и R₂ (ток I_ОС).

Ток I_ОС, проходя через резисторы R₁ и R₂, создает на них падение напряжения. Падение напряжения на резисторе R₂ является напряжением ОС. На этом же резисторе создается падение напряжения от входного сигнала U_ВХ. Так как напряжения U_ВХ и U_ОС находятся в противофазе, то ОС – параллельная. Напряжения U_ВХ и U_ОС находятся в противофазе, то есть действует ООС, a U″_ВХ = U_ВХ – U_ОС. Напряжение U″_ВХ действует между точками А и В. Полярность напряжения U_ОС показана на рисунке 5.6 в скобках. Глубина ОС зависит от величины напряжения U_ОС

. (5.5)

Таким образом, напряжение U_ОС находится в прямой зависимости от величины выходного напряжения, следовательно, существует ОС по напряжению. Если применить ранее указанное правило, то подтвердится наличие в усилителе обратной связи по напряжению.

Рассмотренные виды ОС и способы их создания широко используются в радиоэлектронных устройствах для получения необходимых свойств усилителей.

 

U_ВЫХ

 

 

U_ВХ

 

Рис.5.6. Схема усилителя с параллельной ОС по напряжению

 

Выводы по 1-му вопросу:

1. Существуют положительная и отрицательная обратные связи, которые различаются друг от друга величиной сдвига фаз между входным напряжением и напряжением в цепи обратной связи.

2. Положительная обратная связь на практике находит ограниченное применение, в основном, в автогенераторах.

 

ВОПРОС №2

Применение ООС позволяет:

− улучшить форму АЧХ и ФЧХ;

− снизить уровень нелинейных искажений;

− повысить стабильность работы усилителя;

− обеспечить согласование с нагрузкой;

− снизить уровень различных внутренних помех (фон от источников питания, собственные шумы усилителя, наводки от посторонних электрических или магнитных полей).

При использовании ООС необходимо иметь в виду связанное с ней усложнение схемы и конструкции усилителя (из-за уменьшения коэффициента усиления приходится применять бóльшее число каскадов).

В усилителях чаще всего применяются следующие схемы ООС:

− последовательная ООС по току,

− последовательная ООС по напряжению,

− параллельная ООС по напряжению.

Влияние ООС на параметры усилителя

Под действием ООС изменяются следующие параметры усилителя:

− коэффициент усиления,

− входное сопротивление,

− выходное сопротивление,

− величина искажения сигнала.

Коэффициент усиления

ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя. Это относится как к обратной связи по напряжению, так и к обратной связи по току. Так, в усилителе без ООС коэффициент усиления определяется выражением

, (5.6)

а в усилителе с ООС

, (5.7)

где U_ОС − напряжение в цепи обратной связи.

Как было показано выше, цепь ОС характеризуется коэффициентом передачи напряжения β. Так как U_ОС < U_ВЫХ, то β < 1.

Отсюда U_ОС = βU_ВЫХ.(5.8)

Тогда . (5.9)

Если разделить числитель и знаменатель на U_ВХ, можно получить следующее выражение:

. (5.10)

На основании выражения (5.10) можно сделать вывод, что введение ООС уменьшает коэффициент усиления в (l+βK_U) раз.

Величина (l+βK_U) называется глубиной обратной связи. Иногда эту величину называют фактором обратной связи. При расчетах величину (l+βK_U) выбирают в пределах 2−4. В случае, когда величина (l+βK_U)< 2, то ООС сравнительно слабо влияет на электрические свойства усилителя, а если (l+βK_U) > 4 − ООС значительно уменьшает коэффициент усиления и усложняет конструкцию усилителя.

При расчете транзисторных усилителей следует учитывать, что введение ООС изменяет как входное, так и выходное сопротивление транзистора. Эту особенность необходимо учитывать. Если обозначить (l+βK_U) = A, то величина обратной связи может быть рассчитана по формулам:

а) для последовательной обратной связи

; (5.11)

б) для параллельной обратной связи

, (5.12)

где R_И − сопротивление источника сигнала,

R_ВХ − входное сопротивление транзистора без обратной связи,

R_ВХ.ОС − входное сопротивление транзистора с учетом ОС (рассмотрено ниже),

G − проводимость источника сигнала,

G_ВХ − входная проводимость транзистора,

G_ВХ.ОС − входная проводимость транзистора с учетом ОС.

Коэффициент усиления, вследствие различных условий работы усилителя, нестабилен, то есть может иметь место отклонение коэффициента усиления (ΔК) от номинального значения К. При этом нестабильность может быть как абсолютной ΔК, так и относительной .

В случае, если в усилитель введена ООС, то относительная нестабильность усилителя определяется выражением

. (5.13)

Таким образом, ООС уменьшает относительную нестабильность коэффициента усиления в (l+βK_U) раз по сравнению с относительной нестабильностью усилителя без обратной связи.

Зависимость коэффициента усиления усилителя от глубины ООС применяется в радиоприемниках для осуществления ручной (РРУ) и автоматической регулировок управления (АРУ).