Классификация обратных связей в усилителях

Обратные связи бывают полезными, если мы их создаем сами, и паразитными (вредными), если они возникают в схемах помимо нашего желания.

По месту нахождения по отношению к усилителю ОС могут быть внутренними, если передача сигнала с выхода на вход происходит через внутренние элементы усилителя, и внешними, если они охватывают усилитель снаружи.

По воздействию на величину коэффициента усиления ОС бывают положительными, если увеличивают его, и отрицательными, если уменьшают.

Реализация полезных обратных связей может быть различной. Различают 4 вида обратных связей:

На рисунках изображены:
а) последовательная ОС по напряжению
б) параллельная ОС по напряжению
в) последовательная ОС по току
г) параллельная ОС по току

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно "закоротить" нагрузки. 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.

Обратные связи в усилителях

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход. Разработка в 1927 году принципов обратной связи (ОС) позволило резко изменить важнейшие параметры усилителей , поэтому в настоящее время ОС является неотъемлемой частью любого высококачественного усилителя.

Рисунок 1.4 - Структура обратной связи

В общем виде структурная схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 1.4. Напряжение с выхода усилителя, имеющего коэффициент усиления К, подается на вход звена обратной связи с коэффициентом передачи . Выходное напряжение звена обратной связи, равное:

подается на вход усилителя, где алгебраически суммируется со входным напряжением. В результате реальное напряжение на входе усилителя составляет величину:

Если принять коэффициенты К и чисто активными, можно записать:

Подставляя в данное выражение значение U₁ и U_ОС можно получить:

Отсюда коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью:

Выражение в знаменателе " 1 +/- К " называется глубиной обратной связи и показывает во сколько раз изменяется коэффициент усиления под влиянием ОС.
Знак "+" соответствует отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления усилителя. Особенностью ООС является то, что при больших К значение К >> 1 и выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью принимает вид:

т.е. определяется только свойствами звена обратной связи. Это свойство обратной связи часто используется в многочисленных схемах аналоговой электроники.
Знак " – " указывает на наличие в усилителе положительной обратной связи (ПОС). Нетрудно увидеть, что при этом происходит увеличение коэффициента усиления. Однако ПОС может вызвать ряд явлений, существенно искажающих режим работы усилителя. Если , , откуда следует, что коэффициент усиления неограниченно возрастает и усилитель входит в режим самовозбуждения.
Все обратные связи можно подразделяются по способу съема сигнала обратной связи на выходе усилителя и по способу введения сигнала на входе. На рис. 1.5 показана последовательная обратная связь, когда сигнал напряжение обратной связи подается на вход последовательно со входным напряжением.

Рисунок 1.5 - Последовательная обратная связь

Если выход звена обратной связи подключается параллельно входу усилителя (рис. 1.6) , то обратная связь считается параллельной и выходной ток звена обратной связи алгебраически суммируется со входным током усилителя.

Рисунок 1.6 – Параллельная обратная связь

В зависимости от способа съема сигнала можно выделить обратную связь по напряжению (рис. 1.7), когда сигнал обратной связи Uос пропорционален напряжению на нагрузке усилителя. Если снимать сигнал с шунта, как показано на рис.1.8, то в усилителе реализуется обратная связь по току.
Если усилитель и звено обратной связи содержат только активные элементы, то считается, что обратная связь частотно-независимая. Наличие реактивных элементов в звене обратной связи делает коэффициент передачи усилителя комплексным и обратная связь становится частотно-зависимой, за счет чего может существенно измениться вид амплитудно-частотной фазо-частотной характеристики усилителя

Рисунок 1.7 - Усилитель с ООС по напряжению

Рисунок 1. 8 - Обратная связь по току

Обратная связь может охватывать весь усилитель, как показано на рис. 1.4, или один каскад. В последнем случае обратная связь называется местной. Иногда обратная связь является неотъемлемым свойством усилителя(например за счет паразитных связей) или отдельных усилительных элементов. В этом случае ОС называется внутренней.

Элементы схемы, создающие обратную связь, образуют цепь обратной связи. Коэффициент передачи цепи обратной связи обычно обозначается β. Цепь обратной связи совместно с частью схемы уси­лителя, которую она охватывает, образует петлю обратной связи, или контур обратной связи. В зависимости от числа петель обратной свя­зи в усилителе обратная связь может быть одно- или многоконтур­ной.

Если напряжение U_oc обратной связи пропорционально выходному напряжению усилителя, то обратная связь такого вида называется обратной связью по напряже­нию (рис. 2.1). При этом можно передавать все выходное напряжение на вход схемы или только часть его, используя делитель напряжения, подключаемый параллельно нагрузке. В этом случае сопротивления ре­зисторов делителя напряжения должны быть существенно выше сопротивления на­грузки для того, чтобы не уменьшать ток через нагрузку.

Для того, чтобы опреде­лить, какая обратная связь присутствует в усилительном каскаде, можно провести мыс­ленные эксперименты, зако­рачивая нагрузку (режим ко­роткого замыкания на выхо­де) или разрывая цепь нагруз­ки (режим холостого хода усилителя) и определяя, дей­ствует или нет обратная связь в данных случаях. В режиме короткого замыкания на выходе обратная связь по напряжению отсутствует, а в режиме холостого хода не действует обратная связь по току. Если же в обоих случаях сигнал обратной связи отличен от нуля, то такая обратная связь является комбинированной (смешанной).

Если выход цепи обратной связи подключается ко входу усили­теля последовательно с источником входного сигнала, то обратная связь такого типа называется последовательной (рис. 2.4). Если же выход цепи обратной связи и источник входного сигнала подключе­ны ко входу усилителя параллельно, то связь называют параллельной (рис. 2.5).

В случае, когда колебания источника сигнала и колебания, посту­пающие через цепь обратной связи, совпадают по фазе, обратная связь называется положительной, если же эти колебания находятся в противофазе — то отрицательной.

усилительных устройствах для улучшения их показателей при­меняется в основном отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь находит применение только в специальных типах уси­лителей и в генераторах. Оценим влияние обратной связи на основные технические показа­тели усилителя: коэффициент усиления, искажения, входное и выход­ное сопротивления, стабильность выходного сигнала.

Рассмотрим влияние обратной связи на коэффициент усиления на примере последовательной обратной связи по напряжению (рис. 2.6).

Если усилитель охвачен отрицательной обратной связью, то модуль коэффициента усиления К_оос равен:

При положительной обратной связи модуль коэффициента усиления К_пос:

Как следует из (2.6), отрицательная обратная связь уменьшает модуль коэффициента усиления в (1+ βК) раз при любой величине βК. Выражение (1+βК) в усилителях с отрицательной обратной свя­зью называют глубиной обратной связи.

Как видно из (2.7), при βК<1 положительная обратная связь по­вышает коэффициент усиления. Это свойство положительной обрат­ной связи используется в специальных типах усилителей. При βК=1 модуль коэффициента усиления усилителя с положи­тельной обратной связью стремится к бесконечности, что физически соответствует переходу усилителя в режим генерации синусоидаль­ных колебаний. Если βК>1, то синусоидальные колебания на выхо­де генератора все время возрастают и, наконец, из-за ограничения выходного напряжения генератор переходит в режим фор­мирования прямоугольных колебаний. В таком режиме работы гене­ратор иногда называют автоколебательным мультивибратором.

Если коэффициент усиления усилителя стре­мится к бесконечности (К→∞ ), то коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется не параметрами усилителя, а только элементами обратной связи:

Такой же результат получается, если в усилителе введена глубо­кая обратная связь, т. е. βК>>1.

Одновременно с уменьшением коэффициента усиления, с введени­ем отрицательной обратной связи повышается его стабильность от воздействия различных дестабилизирующих факторов. К дестабили­зирующим факторам относятся изменение температуры окружающей среды, старение и замена усилительных элементов и других компо­нентов схемы, изменение напряжения питания и т. п.

Таким образом, нестабильность коэффициента усиления усилителя с введением отрицательной обратной связи уменьшается в (1+βК) раз.

Как указывалось, величина частотных искажений в усилителе оце­нивается коэффициентом частотных искажений:

Аналогично для схемы, охваченной отрицательной обратной свя­зью, можно записать

где К_0оос и К₀ — модули коэффициента усиления в диапазоне средних частот усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, и при разомкнутой цепи обратной связи соответственно; К_оос и К— моду­ли коэффициента усиления на рассматриваемой частоте усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, и при разомкнутой обратной связи; b₀ и b — модуль коэффициента передачи цепи обрат­ной связи в диапазоне средних частот и на рассматриваемой частоте.

Учитывая, что обычно в диапазоне нижних и верхних частот ра­бочей полосы усилителя частотная характеристика понижается от­носительно диапазона средних частот, можно утверждать, что (1 +βК)/(1+β₀К₀)< 1. Следовательно, согласно (2.11), М_ос<М.

Таким образом, отрицательная обратная связь приводит к умень­шению частотных искажений в усилителе.

Предположим, что при синусоидальном сигнале на входе усили­тель создает на выходе (кроме синусоидального полезного сигнала) также напряжение помехи U_irкоторая вызвана нелинейностью ха­рактеристик элементов схемы или собственными помехами усилите­ля.

Если усилитель охвачен отрицательной обратной связью, то по­лезный сигнал и напряжение помехи, пройдя через контур обратной связи, появятся на выходе ослабленными в (1+βК) раз. Такому воз­действию подвергнутся все гармонические составляющие помех уси­лителя, т. е. коэффициент нелинейных искажений усилителя умень­шается. Полезный сигнал также уменьшается, но его величину на выходе можно повысить до прежнего уровня за счет повышения уси­ления в предыдущих каскадах, в которых нет нелинейных искаже­ний. Следовательно, коэффициент нелинейных искажений К_гоос усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, может быть уменьшен по сравнению с его величиной К_г при разомкнутой обрат­ной связи с сохранением заданного уровня выходного сигнала.