Тема 2.2. Свойства усилителя с ООС и применением обратной связи

Обратная связь влияет на показатели усилителя, причем это влияние зависит от вида и схемы обратной связи

Рассмотрим свойства обратной связи по напряжению:

такая связь уменьшает коэффициент усиления напряжения, но одновременно и уменьшает все искажения, помехи, выходное сопротивление, стабилизирует выходное напряжение.

Напряжение обратной связи (U_oc) на рабочем плече делителя R2 является частью выходного напряжения:

U_oc/U_вых = R2/R1+R2,

Отношение U_oc/U_вых = β называется коэффициентом обратной связи, он показывает, какая доля выходного напряжения сигнала поступает на вход и зависит от соотношения сопротивлений:

β = R2/R1+R2 <1

Eесли β = 1, то связь стопроцентная.

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется:

К_оос = К/1+βК, где

1+ βК = A – глубина обратной связи, показывает, во сколько раз уменьшается К, входящих в петлю связи, или в дБ => А (дБ) = 20 lgА = 20 lg(1+βК)

βК – коэффициент петлевого усиления.

Стабилизация выходного напряжения (U_вых) и коэффициента усиления (К_оос) объясняется так: если по какой - либо причине, скажем, изменения сопротивления нагрузки (Rн), начнет изменяться выходное напряжение (U_вых), то одновременно изменится напряжение обратной связи (U_ос), причем так, что это будет препятствовать изменению выходного напряжения – в результате выходное напряжение (U_вых),

а, следовательно, и коэффициент усиления (К_оос), стабилизируются.

Например, увеличивается сопротивление нагрузки (R_н) и выходное напряжение (U_вых) должно возрасти, но одновременно увеличится напряжение обратной связи (U_ос), и уменьшится входное напряжение (U_вх), что снизит и выходное напряжение (U_вых).

В итоге выходное напряжение возрастет в (1+ βК) раз меньше, чем без обратной связи.

Уменьшаются и частотные искажения, так как они появляются в результате неодинакового усиления колебаний разной частоты, иначе, они вызваны изменением нагрузки с изменением частоты. И независимо от причин изменения выходного напряжения (U_вых), обратная связь уменьшает эти изменения в (1+ βК) раз, причем, чем глубже обратная связь, тем ровнее характеристика (рис 14). Уменьшение частотных искажений позволяет расширить частотный диапазон.

Одновременно улучшается и фазовая характеристика, а уменьшение нелинейных искажений объясняется тем, что под действием ООС напряжение гармоник и коэффициент гармоник уменьшаются в (1+βК) раз.

Аналогично уменьшается и уровень помех, что позволяет расширить динамический диапазон усилителя.

Однако помехи и искажения, возникшие в каскадах до петли обратной связи или во входной цепи, не уменьшаются. Также не уменьшаются нелинейные искажения, возникающие из-за нелинейности характеристик транзисторов.

Рис.14 Частотные характеристики усилителя без обратной связи и с ООС разной глубины

Выходное сопротивление усилителя уменьшается в (1+βК) раз.

Входное сопротивление уменьшается, если ООС подается на вход параллельно (цепь ОС шунтирует вход) и увеличивается при последовательной.

Итак, ООС по напряжению, уменьшает все виды искажений, тем сильнее, чем больше глубина обратной связи.

При ООС по току уменьшаются нелинейные искажения, помехи и коэффициент усиления, но в отличие от связи по напряжению, стабилизируется выходной ток и соответственно коэффициент усиления тока, так как напряжение обратной связи по току зависит от выходного тока и реагирует на все его изменения.

Например, выходной ток (I_вых) увеличился из-за уменьшения сопротивления нагрузки (Rн) => тогда увеличится напряжение обратной связи (U_ос) и уменьшится выходной ток (I_вых), то есть в итоге выходной ток мало изменится.

При этом на меньшем сопротивления нагрузки (Rн) понизится выходное напряжение (U _вых), так как, U_вых = I_{вых •} R_н, то есть связь по току увеличивает нестабильность выходного напряжения и коэффициент усиления напряжения К_u.

Если R_н = const, то стабилизируется выходной ток (I_вых ), одновременно стабилизируется выходное напряжение (U _вых), так как U_вых = I_{вых •} R_н, то есть связь по току увеличивает нестабильность выходного, К_u и частотные искажения.

Но если R_н зависит от частоты искажения, то частотные искажения увеличиваются.

Выходное сопротивление увеличивается.

Входное сопротивление также зависит от способа подачи ООС, то есть при параллельной подаче уменьшается, а при последовательной - увеличивается.

Применение обратной связи определяется её свойствами:

- в оконечных каскадах применяется связь по напряжению, так как сопротивление звуковой катушки (R_н) громкоговорителя мало зависит от частоты, и здесь очень важно уменьшить выходное сопротивление, стабилизировать выходное напряжение (U _вых), уменьшить искажения.

Поэтому петля обратной связи охватывает два-три последних каскада.

- в каскадах предварительного усиления применяется ООС по напряжению для уменьшения искажений и коррекции частотных характеристик.

- связь по току нельзя применять в оконечных каскадах, и она используется в предварительных каскадах для уменьшения нелинейных искажений при перегрузке со стороны входа.

Одна из главных целей ООС - коррекция частотной характеристики, для чего применяют частотно-зависимую обратную связь, в цепь которой включены реактивные элементы.

При этом глубина обратной связи, изменяется с изменением частоты, что позволяет получить подъем или спад в определенной области частот и компенсировать, соответственно, спад или подъем, вносимый другими цепями.

Контрольные вопросы:

1. Что такое обратная связь и ее виды?

2. Дайте определение связи по напряжению и по току.

3. Изобразите структурные схемы обратной связи.

4. Параллельная и последовательная подача обратной связи и структурные схемы таких связей.

5. Свойства ООС по напряжению.

6. Коэффициент обратной связи и его глубина.

7. Формула для определения коэффициента усиления с обратной связью.

8. Свойства ООС по току.

9.Применение обратной связи по току и напряжению.