III.3. Влияние обратной связи на свойства усилителя.

III.2. Классификация видов обратной связи.

Обратные связи (ОС) классифицируют по нескольким признакам:

1. По виду ОС:

- положительная ОС;

- отрицательная ОС.

2. По способу снятия сигнала ОСс выхода усилителя:

- по напряжению;

- по току.

3. По способу подачи сигнала ОСна вход усилителя:

- параллельная;

- последовательная

1. По видуобратная связь может быть положительной или отрицательной. Колебания, поступающие от источника входного сигнала и с выхода усилителя на его вход через цепь обратной связи, могут совпадать по фазе или быть противофазными. В случае совпадения по фазе входного и выходного напряжения ОС будет положительной (рис.3.3а), а если их фазы противоположны, - ОС будет отрицательной.

 

 

 

Рис. 3.3. Положительная (а) и отрицательная (б) обратная связь.

 

В первом случае напряжение, действующее на входе УЭ, может быть выражено как

U_ВХ. = U_.+ U_СВ …………………… (3.5),

т.е. при положительной ОС происходит сложение напряжения, поступающего на вход усилителя с напряжением, поступающим по цепи ОС. При отрицательной ОС напряжение на входе УЭ (U_ВХ.) является разностью между напряжением, подаваемым на вход усилителя (U), и напряжением, поступающим по цепи ОС (U_СВ):

U_ВХ. = U_.- U_СВ ……………………. (3.6).

В усилителях может применяться как положительная, так и отрицательная ОС, однако наибольшее применение находит отрицательная обратная связь (ООС). Положительная ОС (ПОС) применяется, как правило, при генерировании синусоидальных и релаксационных колебаний.

2. По способу снятия сигнала ОС с выхода усилителя обратная связь может быть двух видов.

Если вход цепи ОС присоединён к выходу усилителя параллельно нагрузке, то напряжение на выходе цепи ОС будет пропорционально напряжению на нагрузке (рис.3.4); обратную связь такого вида называют обратной связью по напряжению.

 

Рис.3.4. Обратная связь по напряжению.

 

Если вход цепи ОС подключён к выходу усилителя последовательно с нагрузкой, то напряжение ОС будет пропорционально току в нагрузке (рис.3.5); такую обратную связь называют обратной связью по току.

 

Рис.3.5. Обратная связь по току.

 

Возможна и комбинация этих способов, при которой напряжение ОС имеет как составляющую, пропорциональную напряжению на нагрузке, так и составляющую, пропорциональную току в ней; такую ОС называют комбинированной по выходу обратной связью

 

Рис. 3.6. Комбинированная по выходу обратная связь.

 

2. По способу подачи сигнал ОС на вход усилителя обратная связь может быть также двух видов.Если выход цепи ОС подключён к входу усилителя последовательно с источником сигнала, то такую связь называют последовательной обратной связью (рис.3.7).

 

Рис. 3.7. Последовательная обратная связь.

 

При подключении выхода цепи ОС параллельно входу усилителя связь называют параллельной обратной связью (рис.3.8).

 

Рис. 3.8. Параллельная обратная связь.

 

При комбинированном способе введения ОС во входную цепь усилителя её называют комбинированной по входу обратной связью (рис.3.9).

 

Рис. 3.9. Комбинированная по входу обратная связь.

 

На практике цепи усилителя и цепи ОС нередко бывают сложными, поэтому часто трудно определить, какой из типов ОС имеет место в рассматриваемой схеме. В этих случаях иногда могут помочь следующие правила:

· Для определения способа снятия ОС с выходной цепи усилителя нужно мысленно разорвать цепь нагрузки, а затем мысленно закоротить её. Если при разрыве цепи нагрузки ОС исчезает, то в схеме действует обратная связь по току. Если ОС исчезает при коротком замыкании нагрузки, то в схеме действует обратная связь по напряжению. Если же ОС остаётся как при коротком замыкании нагрузки, так и при её обрыве, – в схеме комбинированная по выходу обратная связь.

· Для определения способа введения ОС во входную цепь усилителя нужно мысленно разорвать цепь источника сигнала, а затем мысленно закоротить её. Если при разрыве цепи источника сигнала ОС исчезает, то в схеме обратная связь последовательная. Если ОС исчезает при коротком замыкании источника сигнала, то в схеме обратная связь параллельная. Если же ОС остаётся как при обрыве, так и при коротком замыкании источника сигнала, то в схеме комбинированная по входу обратная связь.

 

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 – b×К) …….. (3.7).

· для отрицательной ОС (рис.32б):

К_СВ = U_ВЫХ / (U_ВХ + U_СВ) = К / (1+ b×К) ……… (3.8).

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

Положительная ОС влияет на помехи и искажения обратным образом: из выражения (3.5) следует, что положительная ОС увеличивает усиление лишь при 0 < bК < 1; при bК= 1 коэффициент усиления устройства становится бесконечно велик, что фактически соответствует самовозбуждению устройства. При bК ³1 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 < bК < 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.