Обратная связь в усилительных трактах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обратная связь в усилительных трактах

Обратная связь (ОС) в усилителе характеризует передачу на его вход колебаний с выхода отдельного каскада или с выхода всего усилителя в целом. Применение ОС позволяет улучшить характеристики усилителя.

По характеру передачи сигнала с выхода на вход различают:

· внутреннюю ОС, образующуюся благодаря межэлектродным и паразитным емкостям схемы и особенностям ВАХ активного элемента;

· внешнюю ОС, которая организуется специальными цепями.

Элементы схемы, создающие ОС, образуют цепь ОС, которая представляет собой чаще всего пассивный линейный четырехполюсник, вход которого подсоединен к выходу усилителя, а выход - ко входу усилителя.

В зависимости от того, возрастает или уменьшается сигнал на входе усилителя, обратные связи делятся на:

· положительные (ПОС);

· отрицательные (ООС);

· комбинированные ОС (КОС).

В случае положительной обратной связи фаза действия сигнала обратной связи (напряжения или тока) такова, что обратная связь увеличивает коэффициент усиления усилителя. В случае отрицательной обратной связи коэффициент усиления уменьшается. Комбинированная обратная связь представляет собой совокупность положительной и отрицательной обратных связей, петли которых имеют общие элементы. При использовании комбинированной обратной связи в усилителях коэффициент усиления также уменьшается, т.к. в этом случае преобладающее действие должна оказывать отрицательная обратная связь.

Наибольшее применение в усилителях находит отрицательная обратная связь, стабилизирующая работу усилителя и снижающая вносимые им искажения.

Положительная обратная связь (только ПОС) в апериодических усилителях почти не применяется в основном из-за склонности схем с положительной обратной связью к самовозбуждению.

Поскольку фаза как выходного сигнала, так сигнала с цепи ОС зависят от частоты, то считать ОС положительной или отрицательной можно лишь в некотором диапазоне частот. Сильное изменение частоты сигнала (за пределы рабочей полосы усилителя) может привести к смене знака ОС.

В отношении частотного диапазона действия обратной связи различают:

а) обратную связь по переменному току как частотно-независимую
(b = const), так и частотно-зависимую (b = F(co));

б) обратную связь по постоянному току;

в) обратную связь по переменному и постоянному токам одновременно.

Частотно-зависимая отрицательная обратная связь применяется в усилителях, например, для коррекции частотных и переходных характеристик.

Отрицательная обратная связь по постоянному току используется для стабилизации исходного режима транзисторов усилительных каскадов, а также для стабилизации и линеаризации коэффициента усиления в усилителях медленно изменяющихся сигналов (усилители постоянного тока УПТ).

Отрицательная обратная связь по переменному и постоянному токам выполняет одновременно перечисленные функции.

В усилителях чаще всего специально вводят ООС в рабочей полосе частот. С внутренней ОС мы встретились при анализе каскада с ОЭ, где транзистор характеризовался параметром обратной связи h_12,э. Как было показано, отличие от нуля этого параметра приводит к зависимости от него всех внешних параметров транзистора и усилителя в целом, например, влиянию сопротивления нагрузки на входное сопротивление и сопротивления источника сигнала на выходное сопротивление усилителя. В зависимости от того, каким образом подается сигнал на вход усилителя с цепи ОС и в цепь ОС с выхода усилителя, различают:

· последовательную ОС по напряжению;

· последовательную ОС по току;

· параллельную ОС по напряжению;

· параллельную ОС по току;

· смешанная обратная связь.

Первое слово характеризует связь со входом усилителя: при последовательной ОС с цепи ОС на вход усилителя подается напряжение, а при параллельной - ток.

Второе слово характеризует связь цепи ОС с выходом усилителя: если связь по напряжению, то выходной сигнал цепи ОС пропорционален выходному напряжению, если связь по току, то выходной сигнал цепи ОС пропорционален выходному току.

В случае смешанной по выходу обратной связи напряжение Uoc является как функцией выходного напряжения U2, так и функцией выходного тока I1.

В случае смешанной по входу обратной связи напряжение обратной связи вводится последовательно-параллельно и получается частично в результате сложения напряжений U1 и Uoc, а частично в результате сложения токов I1 и I_ОC.

По количеству петель обратной связи различают однопетлевую схему ОС и многопетлевые схемы обратной связи.

На рис. в качестве примера приведена структурная схема многопетлевой обратной связи. Здесь петля К1К2b является петлей общей обратной связи, а петли K1b1 и К2b2 - петлями местных обратных связей. В данном случае все обратные связи могут быть отрицательными или некоторые из них отрицательными, а другие положительными. В последнем случае имеет место комбинированная обратная связь. Необходимо только подчеркнуть, что общая обратная связь в усилителе всегда должна быть отрицательной.

Многопетлевая обратная связь

Основное соотношение

Цепь, по которой осуществляется указанная обратная передача энергии, называется цепью обратной связи. Замкнутая цепь, состоящая из охваченного обратной связью усилителя (или его части) К и цепи обратной связи K_ОС, называется петлей обратной связи. К и K_ОС - коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи. Произведение K K_ОС называется петлевым усилением или петлевым коэффициентом передачи. Петлевое усиление определяет характер и степень действия обратной связи на технические показатели усилителя.

Обычно цепь ОС представляет собой пассивную линейную цепь, т. к. она не содержит каскадов усиления. Цепь К при коэффициенте гармоник К_г < 5% может также считаться линейной.

Пусть усилитель как активный линейный четырехполюсник задан комплексным коэффициентом передачи

,

где , - комплексные амплитуды сигналов (тока или напряжения) непосредственно на его входе и выходе, а четырехполюсник ОС задан коэффициентом передачи

,

где комплексная амплитуда сигнала на его выходе.

Определим комплексный коэффициент передачи эквивалентного активного четырехполюсника как

,

где  комплексная амплитуда сигнала, поданного на вход системы усилитель + цепь ОС.

Так как:

конвертор сопротивление напряжение тракт

,

то получается, что:

Ясно, что его модуль больше модуля коэффициента передачи самого усилителя и при KK_ос1 может стать бесконечно большим. Усилитель станет практически неуправляемым.

Такая ОС называется положительной. Она используется для создания автоколебательных систем. В усилителях же она может привести к самовозбуждению на той частоте, для которой выполняется условие KK_ос=1.

Откуда видно, что K^*<K. Такая ОС называется отрицательной.

Стоящая в знаменателе выражения (5.2) величина называется возвратной разностью и характеризует изменение коэффициента усиления К за счет влияния обратной связи, как по абсолютному значению, так и в отношении угла сдвига фаз. Величина KK_ОС, называется петлевым усилением (а также петлевым коэффициентом передачи или коэффициентом передачи разомкнутой системы), которое по существу и определяет свойства схемы с ОС.

Абсолютная величина возвратной разности

А = ||

называется глубиной обратной связи и определяет степень изменения коэффициента усиления усилителя, вызываемого действием обратной связи. Обычно эту величину выражают в децибелах как Адб = 201gA.

Пример при ООС:

если K=100 и K_ос=0,01, то KK_ос=1 (слабая ОС), K^*=100/(1+1)=50;

если K=100 и K_ос=0,09, то KK_ос=9 (глубокая ОС), K^*=100/(1+9)=10.

Параметры усилителя с ООС

Рассмотрим вывод соотношений для коэффициентов передачи по напряжению и току, входного и выходного сопротивления усилителя и с цепью ООС в рабочей области частот усилителя.

Для определения параметров усилителя с ОС удобно представить усилитель в виде ИНУН, а цепь ОС в виде делителя напряжения.

Коэффициент передачи по току определяется здесь как

.

Таким образом данный тип включения ООС изменяет собственный коэффициент передачи по напряжению усилителя с ОС в соответствии с основным линейным соотношением (5.3), коэффициент передачи по току практически не изменяется.

По определению входное сопротивление усилителя с ОС равно:

.

Так как:

,

, (5.4)

то есть последовательная ООС увеличивает входное сопротивление системы в (1+KK_ос) раз.

Амплитуда выходного напряжения в схеме рис. 4 определится как сумма

;

Отсюда получаем

.

,

т.к. U_m,oc =U_m,э можно говорить о 100% (K_oc=1) последовательной ООС по напряжению.

Следовательно, коэффициент передачи по напряжению:

,

где SR_э=K_оэ - коэффициент передачи по напряжению каскада ОЭ, если в коллекторной цепи стоит сопротивление равное R_э, S - крутизна ДПХ транзистора с ОЭ в рабочей точке;

Так, если SR_э=20, при R_э=100 Ом и h_11,э=200 Ом, имеем:

K_ок=20/21=0,95, R_вх,ок=200 (1+20)=4200 Ом, R_вых,ок=100/(1+20)=4,76 Ом

Таким образом, каскад с ОК (или эмитерный повторитель) имеет очень малое выходное сопротивление и большое входное сопротивление, в связи с этим рабочая полоса частот его в (1+SR_э) больше полосы аналогичного каскада с ОЭ. Поэтому этот каскад используют в качестве буферного между каскадами ОЭ, осуществляя согласование по напряжению между каскадами. Кроме того, его ставят в качестве входных каскадов усилителей, т. к. он имеет большое входное сопротивление, и в качестве выходных каскадов усилителей напряжения из-за малого выходного сопротивления.

Если цепь ООС вносит небольшие фазовые сдвиги, то при _осК К» 1 фазовый сдвиг усилителя с ООС существенно уменьшается и определяется в основном фазовым сдвигом цепи ОС.

Пусть усилитель без ОС вносит фазовый сдвиг ц₁, тогда коэффициент усиления усилителя = К е^jц1 - комплексный. Фазовый сдвиг, вносимый цепью ОС (ц₂), во много раз меньше фазового сдвига усилителя.

Коэффициент усиления усилителя с ОС при _осК» 1

К_ос = = е^{-j ц2}.

При ц2> 0 фазовый сдвиг, вносимый усилителем с ООС, достаточно мал и, в первом приближении, стремится к нулю.

При введении ООС в многокаскадном усилителе практически всегда найдется участок частот, где ООС станет положительной. Поэтому в общем случае глубина OOС ограничена областью, где в усилителе не возникают автоколебания. Изменение сигнала ОС при изменении частоты можно пояснить следующим образом. Пусть на некоторой частоте фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен 180°, а цепь ОС не вносит фазового сдвига. В этом случае входной сигнал и сигнал ОС находятся в противофазе, а результирующий сигнал U₁ совпадает с U_вх.

При изменении частоты входного сигнала изменяется фазовый сдвиг напряжения на выходе усилителя и становится равным ц= 180+ ц_д, где ц_д - дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный изменением частоты входного сигнала. Теперь векторы , и не совпадают по направлению. Из входного сигнала вычитается только проекция вектора на горизонтальную ось. Вектор напряжения на входе усилителя теперь не совпадает с , но ОС при этом остается отрицательной - и результирующий фазовый сдвиг усилителя с ОС меньше, чем без ОС. На частоте, где ц_доп достигает 90°, проекция вектора на горизонтальную ось равна нулю. В этом случае напряжение не изменяет горизонтальную составляющую вектора входного напряжения . На частоте, где ц_доп достигает 90°, проекция вектора на горизонтальную ось равна нулю. В этом случае не изменяет горизонтальную составляющую вектора входного напряжения . Тем не менее, на этой частоте ОС меняет параметры усилителя. Так при малой глубине ООС ¦К_ос¦ 1 цепь ООС практически не меняет фазового сдвига выходного напряжения и он остается равным ц = 180 + ц_доп = 270°. При ¦К _ос¦= 1 цепь ООС уменьшает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения на 45° и он становится равным ц = 225°. При ¦К_ос¦» 1 дополнительный фазовый сдвиг ц_доп стремится к нулю. На частоте, где ц_доп > 90°, ОС из отрицательной превращается в положительную, а векторы входного сигнала и напряжения ОС суммируются. В последнем случае нарушается устойчивая работа усилителя. По этой причине введение ОС в усилитель требует проведения исследования его на устойчивость.

Изменение сигнала обратной связи при изменении частоты: а) - отрицательная при ц_доп = 0; б) - отрицательная при ц_доп 0; в) - обратная связь при ц_доп = 90; г) - положительная обратная связь

Частотно-зависимая OOС изменяет частотную характеристику устройства в которое она введена по закону, обратному закону изменения коэффициента передачи цепи обратной связи при изменении частоты входного сигнала. Это свойство OOС широко используется для коррекции частотной характеристики широкополосного усилителя в области низких и высоких частот, конструирования избирательных усилителей, активных фильтров и т.д.

Размещено на Allbest.ru