Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Введение
Понятие "обратная связь" (ОС) относится к числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком смысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве "системы" может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем - за выходными данными (положением машиты и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.
1. Предварительные сведения об обратной связи
Отрицательная обратная связь - это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. "К нашему изопрелению отнеслись так же, как к вечному двигателю" (журнал IEEE Spectrum за декабрь 1977 г.). Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.
Цепь ОС может быть частотно-зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты (примером может служить предусилитель звуковых частот в проигрывателе со стандартом RIAA); если же цепь ОС является амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС используется логарифмическая зависимость напряжения UБЭ от тока IК в диоде или транзисторе). Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю), с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Вообще говоря, тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.
Обратная связь может быть и положительной; ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции.
2. Обратная связь и ее телявлияние на характеристики
усили
Если на вход усилителя, помимо сигнала от внешнего источника, поступает также выходной сигнал или его часть, то в усилителе присутствует обратная связь (ОС).
Существует два вида ОС: внутренняя и внешняя.
При внутренней ОС часть выходного напряжения U поступает на вход усилителя за счет внутренних цепей активных элементов.
Попадание выходного сигнала на вход может происходить также из-за нерационального размещения отдельных усилительных каскадов.
Такие ОС называются паразитными. Для их исключения применяют следующие меры:
При специально созданной внешней ОС напряжение или ток ОС поступает на вход усилителя за счет введения в схему дополнительных элементов и цепей.
Такая ОС широко используется при конструировании усилителей, так как позволяет целенаправленно влиять практически на все показатели усилителя.
рисунок 1
Представим усилитель в виде четырехполюсника, выход которого соединим с входом четырехполюсника ОС, а выход четырехполюсника ОС с входом усилителя (рисунок 1).
Допустим, что четырехполюсник–усилитель обладает коэффициентом усиления К, а четырехполюсник ОС - коэффициентом передачи по напряжению βос.
Коэффициентом передачи называется отношение выходного напряжения (тока, мощности) к входному напряжению (току, мощности).
По своей сути коэффициент усиления и коэффициент передачи идентичны, но для пассивных четырехполюсников чаще используют понятие коэффициента передачи.
В реальных условиях четырехполюсник ОС не всегда присутствует в явном виде, однако, всегда можно найти численное значение:
и формально ввести четырехполюсник и прийти к изображенной на рисунке 1 схеме.
Напряжение на входе усилителя образуется при сложении напряжений (или токов) источника сигнала и цепи ОС. Если входной сигнал и сигнал ОС синфазны, то напряжение больше и обратную связь называют положительной (ПОС).
Если напряжения Umвх и Umос противофазные, то ОС называют отрицательной ОС (ООС).
В зависимости от того, как образуется сигнал ОС, различают ОС по напряжению и ОС по току (рисунки 2 и 3 соответственно).
рисунок 2 рисунок3
В первом случае сигнал ОС образует непосредственное сопротивление нагрузки, и коэффициент передачи цепи ОС равен:
Во втором случае последовательно с Zн включают сопротивление Zос, на котором создается падение напряжения Imвых ·Zос и тогда:
рисунок 4
По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС (рисунок 4).
При последовательной ОС на входе усилителя геометрически суммируется напряжения входного сигнала и сигнала ОС. При параллельной ОС происходит геометрическое суммирование токов.
Полученные схемы формирования ОС и подачи его во входную цепь дают возможность получить схемы с существенным отличием характеристик.
Рассмотрим конкретные примеры влияния ОС на свойства усилителя.
Вернемся к общей приведенной схеме ОС.
Напряжение на выходе усилителя, активного ОС, можно записать в следующем виде:
,
где Um1 - напряжение, воздействующее на вход усилителя, с учетом сигнала ОС; K коэффициент усиления без учета ОС; Кос - коэффициент усиления каскада с учетом ОС.
Зная, что из предыдущего получим:
где - характеризует глубину ОС и называется петлевым усилением.
В общем случае β0, К, Кос - комплексные величины, но в определенном частотном диапазоне их можно считать вещественными, тогда:
.
При положительной ОС (когда βос·К >0) коэффициент усиления возрастает. При βос·К=1 усилитель превращается в генератор. При отрицательной ОС (когда βос·К<0) коэффициент усиления уменьшается:
.
То есть, при отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается в (1-β0·К0) раз. Отрицательная ОС (ООС) при этом увеличивает стабильность усилителя и уменьшает все виды искажений.
Введение ООС существенно влияет на величину входного и выходного сопротивлений усилителей.
При последовательной ООС входное сопротивление усилителя определяется как:
При параллельной ООС входная проводимость оценивается по формуле:
Из полученных выражений следует, что при последовательной ООС входное сопротивление увеличивается в (1+β0·К) раз, при параллельной ООС входная проводимость увеличивается на (1+β0·К).
Выходное сопротивление в усилителе с ООС по напряжению можно определить (при Rген<<Zвх) следующим образом:
.
Выходное сопротивление в усилителях с ООС по току определяют как:
,
где
Таким образом, введение ООС по напряжению увеличивает выходное сопротивление усилителя в (1+β0·К) раз, а введение ООС по току увеличивает выходное сопротивление на (1+ β0·S'·Zн).
3. Усилитель с отрицательной обратной связью
Чтобы увеличить динамический диапазон усилителя, используется отрицательная обратная связь (ООС). Всем известен обычный усилитель с трансформаторной ООС, который успешно используется многими. Единственный его недостаток — малая развязка между входом и выходом: если нагрузка отлична от 50 Ом, то и полное сопротивление входа не равно 50 Ом.N6NWP описал усилитель с хорошей развязкой, который используется между пассивным смесителем и кварцевым фильтром в приемнике с высокой динамикой. Однако он достаточно сложен.
Описанный ниже усилитель достаточно прост и обладает высокой динамикой, низким коэффициентом шума, полным электрическим сопротивлением входа 50 Ом, которое мало зависит от импеданса нагрузки.
Развязка между входом и цепью ООС основывается на несимметричном делителе мощности (рис.5).
Рисунок 5
В этом делителе действуют следующие соотношения:R2=R3(1+N)/N, R3=(l+N)Rs, R1=R2+R3 Цепи входа и выхода изолированы между собой, и в точке 1 мощность составляет сумму мощности точки 2 и 1/N мощности точки 3. Схема усилителя показана на рис.6.
Рисунок 6
Получены следующие результаты:
- усиление в полосе 5.,.200 МГц — 10 дБ;
- коэффициент шума на 144 МГц — 2,5...3 дБ;
- точка IP3 — +14 дБм;
Развязка между входом и выходом:
|
f (МГц) |
Выход50 Ом |
Выход не нагружен |
|
10 |
-15дБ |
-15дБ |
|
30 |
-32 дБ |
-30 дБ |
|
144 |
-6,5 дБ |
-4 дБ |
Я думаю, что улучшая делитель мощности на входе, можно было бы достичь более постоянных характеристик по всему диапазону.