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
ЛЕКЦИЯ 10 ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
Обратной связью называют влияние выходной величины на входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС. При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и это приводит к уменьшению выходного сигнала.
Когда в 1928 г. была предпринята попытка запатентовать отрицательную обратную связь, то эксперты не увидели ее полезности и дали отрицательный ответ. И действительно, на первый взгляд, отрицательная обратная связь только уменьшает коэффициент усиления усилителя. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в электронике в частности, один недостаток того или иного решения может значительно перевешиваться его достоинствами. Отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает коэффициент усиления, но исключительно благотворно влияет на многие параметры и характеристики усилителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частот коэффициент усиления оказывается не зависящим от частоты и т. д.
Различают следующих 4 вида обратных связей в усилителе (рис. 1):
последовательная по напряжению (а);
параллельная по напряжению (б);
последовательная по току (в);
параллельная по току (г).
Рис. 1
На рис. 1 обозначено: К — коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи; β— коэффициент передачи цепи обратной связи.
Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль — то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.
2. Параметры и характеристики усилителя, охваченного отрицательной обратной связью
Рассмотрим влияние ООС на примере усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению (рис. 2).
Рис. 2
В структурную схему входит цепь прямой передачи и цепь обратной связи (цепь обратной передачи). Предполагается, что указанные цепи линейные. На усилитель с обратной связью подается внешний синусоидальный входной сигнал ивх1, а на цепь прямой передачи — сигнал ивх2. Цепь прямой передачи характеризуется комплексным коэффициентом усиления по напряжению Ки (коэффициентом прямой передачи):
где— комплексное действующее значение напряжения обратной связи Uос.
Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. Этот коэффициент Кипс определяется по формуле
где , — комплексное действующее значение напряжения
Легко заметить, что
Величинуназывают глубиной обратной связи (коэффициентом грубости схемы), а величину называют петлевым усилением. Если глубина обратной связи достаточно велика,
Отсюда можно сделать следующий очень важный вывод: если глубина отрицательной обратной связи достаточно велика, то коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью Киос, зависит только от свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств цепи прямой передачи.
В цепи прямой передачи используются активные приборы (транзисторы, операционные усилители и т. д.), которые обычно не отличаются высокой стабильностью параметров. Из-за этого и коэффициент является нестабильным. Но если используется глубокая отрицательная обратная связь и в цепи обратной связи применяются высокостабильные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т. д.), то общий коэффициент усиления Киос оказывается стабильным.
Даже если глубина обратной связи не настолько велика, что можно пренебрегать единицей в выражении , отрицательная обратная связь, как можно показать, уменьшает нестабильность коэффициента Киос.
Важно уяснить, что сделанный вывод справедлив независимо от того, какие дестабилизирующие факторы влияют на изменение величины Ки (температура, уровень радиации и т. д.).
Частотные характеристики усилителя, охваченного обратной связью. Если рассуждать формально, то при наличии частотных характеристик для Ки и β частотные характеристики для Киос оказываются однозначно определенными выражением
И тем не менее очень поучительно более детально рассмотреть вопрос влияния отрицательной обратной связи на частотные свойства усилителя. Пусть коэффициенты Ки и В являются вещественными. Тогда и коэффициент вещественный. Будем для этого случая использовать обозначения Ки, β и Киос Пусть в некотором частотном диапазоне коэффициент Ки изменяется в пределах от 10000 до 1000 (на 90 % по отношению к значению 10000), а коэффициент р является постоянным, р = 0,1. Тогда в соответствии с формулой для Ки ос окажется, что Ки ос будет изменяться в пределах от 9,99 до 9,9 (примерно на 1%). Таким образом, изменение коэффициента усиления после введения отрицательной обратной связи станет значительно меньшим.
Важно уяснить, что если все же необходимо повысить коэффициент усиления до 10000, то и в этом случае использование отрицательной обратной связи значительно улучшит стабильность.
Пусть для получения большого коэффициента усиления использованы 4 включенных последовательно описанных усилителя, охваченных отрицательной обратной связью. Тогда в рассматриваемом диапазоне частот общий коэффициент усиления будет изменяться в пределах от 9960 (9,99. • 9,99 * 9,99 • 9,99) до 9606 (9,9 • 9,9 • 9,9 • 9,9).
Изменение составит 3,6 % (·100%). Это, очевидно, значительно меньше 90 %.
В том диапазоне частот, в котором выполняется условие 1Р'/^М |»1> коэффициентКиос можно определить из выражения
В первом приближении можно считать, что единицей можно пренебречь при условии, что
Отсюда получаем
Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. Обратимся к структурной схеме усилителя с последовательной отрицательной обратной связью (рис. 2).
Обозначим через Zex входное комплексное сопротивление цепи прямой передачи:
где— комплексное действующее значение тока Iвх.
Найдем входное комплексное сопротивление Zexocусилителя, охваченного обратной связью:
Получим
Пусть коэффициенты Ки и р являются вещественными (Ки = Ки и β = β), тогда
Отсюда следует, что последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление по модулю. Практически всегда это является положительным фактором.
Выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. Обозначим через Zвых и Zвых ос соответственно выходное комплексное сопротивление цепи прямой передачи и выходное комплексное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. По определению
где приращения комплексных действующих значений соответственно напряжения ивых и тока Iвых.
При этом предполагается, что обратная связь отключена (например, выход цепи обратной связи закорочен).
Также предполагается, что UexX = const, а изменение величин вызвано изменением сопротивления нагрузки.
По определению
но при этом предполагается, что обратная связь действует и что .
В этом случае причиной возникновения приращения является не только падение напряжения на выходном сопротивлении Zвых, но и появление приращения комплексного действующего значения напряжения Следовательно,
Знаки «минус» использованы потому, что и увеличение тока 1вых, и увеличение напряжения иос вызывают уменьшение напряжения ивых. Отсюда с учетом, что
Получим
Пусть коэффициенты Ku и β являются вещественными. Тогда, очевидно, отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя. Очень часто это является положительным фактором.
Для упрощения изложения принимаем условие, что цепь прямой передачи и цепь обратной связи характеризуются вещественными коэффициентами и что все токи и напряжения описываются вещественными действующими значениями.
Обратимся к обратной связи по напряжению. Она препятствует изменению выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя. Этот же вывод был сделан выше на основе полученного математического выражения для выходного сопротивления. Можно показать, что характер изменения выходного сопротивления не зависит от того, является связь параллельной или последовательной.
Обратимся к обратной связи по току. Она препятствует изменению выходного тока при изменении сопротивления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по току увеличивает выходное сопротивление. При этом характер изменения выходного сопротивления также не зависит от того, является ли связь параллельной или последовательной.
Подобные рассуждения (и соответствующие математические выражения) показывают, что параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление усилителя, охваченного ею, а последовательная увеличивает (что подтверждает полученное выше математическое выражение). Характер изменения входного сопротивления не зависит от того, является ли обратная связь связью по току или по напряжению.
Обратимся к структурной схеме усилителя с отрицательной последовательной обратной связью по напряжению и к полученному выражению
Если окажется, что на некоторой частоте аргумент φ комплексной величины окажется равен , то это будет означать, что напряжение обратной связи иос по фазе совпадает с напряжением ивх1 и напряжением ивх2. В этом случае окажется, что обратная связь станет положительной. Если к тому же окажется, что на рассматриваемой частоте выполняется условие
,
то это будет означать, что сигнал, проходящий последовательно через цепь прямой передачи и цепь обратной связи, усиливается. При этом и в случае нулевого напряжения ивх1 напряжения uex2, ивых, иос окажутся ненулевыми, т.е. усилитель по существу превратится в генератор. Это явление называют самовозбуждением усилителя.
Для предотвращения самовозбуждения необходимо предпринимать меры (например, осуществлять частотную коррекцию усилителя, играющего роль цепи прямой передачи), обеспечивающие выполнение одного из следующих, по сути равноценных, условий:
На практике обычно пользуются вторым условием.
Угол α, определяемый выражением α = π — φ, называют запасом устойчивости по фазе.
Запас устойчивости по фазе должен быть не менее 30...60 или даже 65 градусов.