УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Введение обратной связи ОС призвано улучшить показатели уси­лителя или придать ему некоторые специфические свойства. Ранее был рассмотрен простейший вид обратной связи в одиночных уси­лительных каскадах, где она применялась для температурной ста­билизации режима покоя. Проанализируем общие закономерности, обусловливаемые введением обратных связей в усилитель. В част­ности, это необходимо для построения усилителей на современной элементной базе (на линейных интегральных микросхемах).

Обратная связь осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с его выхода. Иллюстрацией усилителя с обратной связью служит структурная схема, приведенная на рис. 2.28. Звено обратной связи

характеризуется коэффициентом передачи х, показывающим связь параметра (напряжения, тока) выходного сигнала этого звена с параметром (напряжением, током) выходной цепи усилителя. Коэффициент усиления усилителя К и коэффициент передачи цепи ОС х указаны на рис. 2.28 в виде комплексных значений.

Это означает учет возможного фазового сдвига, возникающего на низких или высоких частотах за счет наличия как в схеме усилителя, так и в цепи ОС реактивных элементов. Если работа усилителя осуществляется в области средних частот, а в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то коэффициенты передачи усилителя и звена ОС будут характеризоваться действительными значениями K и х.

В усилителях применяются различные виды обратных связей. Вид обратной связи зависит, в частности, от параметра (напряжения, тока) выходного сигнала, используемого для создания обратной связи и способа подачи обратной связи на вход усилителя. Если параметром выходного сигнала является выходное напряжение усилителя, то в усилителе будет осуществлена обратная связь по напряжению, если ток выходной цепи — то обратная связь по току. Возможна и комбинированная обратная связь, т. е. одновременно как по напряжению, так и по току.

При подаче напряжения обратной связи с выхода четырехполюсника х последовательно с напряжением источника входного сигнала обратную связь называют последовательной. Когда же напряжение обратной связи подается на вход усилителя параллельно напряжению источника входного сигнала, обратная связь является параллельной.

Оба указанных признака определяют конкретный вид обратной связи усилителя: последовательную (параллельную) обратную связь по напряжению, последовательную (параллельную) обратную связь по току, последовательную (параллельную) комбинированную обратную связь. На рис. 2.29 приведены примеры, иллюстрирующие наиболее распространенные виды обратных связей в усилителях: последовательную обратную связь по напряжению (а), последовательную обратную связь по току (б), параллельную обратную связь по напряжению (в). Если -при последовательной обратной связи (см. рис. 2.29, а, б) ее влияние сказывается на величине входного напряжения собственно усилителя U_у, то при параллельной обратной связи (рис. 2.29, в) — на величине входного тока усилителя I_у.

Воздействие обратной связи может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала на входе усилителя. В первом случае обратную связь называют положительной, во втором — отрицательной.

Отрицательная обратная связь позволяет улучшить некоторые показатели усилителя, в связи с чем она нашла здесь преимущест-

венное применение. Оценку влияния обратной связи на показатели уси­лителя рассмотрим на примере схе­мы с последовательной обратной связью по напряжению (рис. 2.29, а). Определим коэффициент усиления усилителя K_Uoc = U_выхJU_вх при наличии обратной связи.

С этой целью выразим напряжение усилителя U_yчерез напряжение U_вхи напряжение обратной связи U_oc.

U_Y = U_BX + U_OC. (2.106)

Разделив левую и правую части выражения (2.106) на выходное на­пряжение усилителя U_вых, получаем

(2.107)

или

1/K_U=1/K_{Uoc +} x, (2.108)

где х = U_ос/U_вых. — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Из (2.108) находим соотношение для расчета коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью

(2.109)

Для упрощения анализа этого соотношения введем действительные значения Ки и х:

К_Uос = (2.1 10)

Согласно выражению (2.110), при 1>К_U x> 0 коэффициент уси­ления усилителя с цепью обратной связи К_Uос получается больше коэффициента усиления самого усилителя К_U. Это соответствует по­ложительной обратной связи, когда напряжение U_oc подается на вход усилителя в фазе с входным напряжением U_вх, вследствие чего U_у = U_вх + U_oc. Выходное напряжение усилителя с положительной обратной связью U_вых = K_U(U_вх + U_oc)> K_Uвх,a следовательно, К_Uос > K_U.

Случай К_Ux ≥ 1 при положительной обратной связи характеризует условие самовозбуждения усилителя, когда на выходе усилителя появляется сигнал, состоящий из спектра частот независимо от сигнала на входе. При комплексных значениях К_U

и х неравенство соответствует условию самовозбуждения на фиксированной частоте с появлением сигнала на выходе, близкого к синусоиде. Этот режим работы усилителя нашел широкое применение в генераторах синусоидального напряжения. При К_U x< 0 имеем

К_Uос = (2.111)

Это соответствует отрицательной обратной связи, когда напряжение U_oc подается в противофазе с напряжением U_BX, вследствие чего U_y = U_вх — U_ос. Таким образом, коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью К_Uос оказывается меньше, чем коэффициент К_U в усилителе без обратной связи.

Оценим стабильность коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью. С этой целью продифференцируем выражение (2.111):

(2.112)

Умножив левую и правую части уравнения (2.112) на К_U и учтя соотношение (2.111), получим выражение для относительных изме­нений коэффициентов усиления:

(2.113)

Из выражения (2.113) следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в (1 + К_Ux)раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи, т. е. величины 1+К_Ux. Если, например, предположить,что относительное изменение коэффициента усиления усилителя

dK_U/K_U=20% и 1+ К_Ux = 100,

то относительное изменение коэффициента усиления усилителя с обратной связью dK_Uoc/K_Uoc составит всего 0,2%.

Рассматриваемая возможность повышения стабильности коэффициента усиления является ценной в условиях непостоянства коэффициента усиления усилителя из-за температурных изменений параметров элементов, в частности транзисторов, и их старения. В этом случае достигается также высокая стабильность коэффициента усиления при существующем разбросе параметров элементов в условиях массового производства аппаратуры.

При большом коэффициенте усиления К_U и глубокой отрицательной обратной связи удается практически полностью исключить за­висимость коэффициента усиления усилителя от изменения его параметров. При этом единицей в знаменателе выражения (2.111) можно пренебречь и коэффициент усиления усилителя будет определяться только коэффициентом передачи цепи обратной связи х:

(2.114)

т. е. практически не будет зависеть от К_U и его возможных изменений.

Таким свойством будет обладать, например, усилитель с К_U = 10⁴ и x = 10^-2, коэффициент усиления которого К_Uос ≈ 1/x = 100.

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления усилителя К_U изменяется напряжение обратной связи, приводящее к изменению напряжения U_y (рис. 2.29, а) в направлении, препятствующем изменению выходного напряжения усилителя. Например, при снижении К_U вследствие изменения параметров усилителя напряжение U_oc уменьшается вследствие уменьшения напряжения U_вых (рис. 2.29, а), напряжение U_y = U_вх — U_ос возрастает, что вызывает повышение напряжения U_вых, препятствуя тем самым уменьшению коэффициента усиления К_U.

Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя с помощью отрицательной обратной связи широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики (рис. 2.30) многокаскадных усилителей с конденсаторной связью. Как известно, в области низких и высоких частот коэффициент усиления этих усилителей уменьшается. При наличии отрицательной обратной связи

ее действие в указанных областях частот будет ослаблено из-за меньших значений К_U усилителя, что приводит к повышению на границах частотного диапазона коэффициента усиления и расширению полосы пропускания ∆f усилителя (рис. 2.30). С помощью отрицательных обратных связей, охватывающих отдельные каскады усилителя, решают также задачу уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала, а также ослабления влияния помех в усилителе.

Рассмотрим влияние отрицательной обратной связи на входное сопротивление усилителя R_вх = U_вх/I_вх.

Согласно рис. 2.29, а, в случае последовательной отрицательной обратной связи U_вх = U_y + U_oc. Напряжение U_oc связано с напря­жением U_y соотношением U_oc = K_UхU_y В связи с этим находим

R_вх._oc=(1+K_U x)U_y/ I_вх= R_вх(1+K_U x) (2.115)

Таким образом, введение последовательной отрицательной обратной связи позволяет увеличить входное сопротивление усилителя в 1+К_Ux раз. Необходимость использования обратной связи с указанной целью возникает при усилении сигналов от датчиков, обладающих большим внутренним сопротивлением, особенно для усилителей на биполярных транзисторах.

Наличие отрицательной обратной связи по напряжению приводит, как отмечалось, к повышению стабильности выходного напряжения усилителя при неизменном напряжении U_вх. При отрицательной обратной связи по напряжению выходное напряжение U_вых усили­теля меньше подвержено изменению при изменении тока нагрузки, что соответствует уменьшению его выходного сопротивления. Вы­ходное сопротивление усилителя для рассматриваемого вида обратной

R_вых._oc =R_вых/(1+K_U x), (2.116)

т. е. оно уменьшается в 1 + К_U x раз.

Отрицательную обратную связь по напряжению, уменьшающую выходное сопротивление усилителя, вводят для обеспечения меньшей зависимости выходного напряжения усилителя при изменяющемся сопротивлении нагрузки R_H.

На основании проведенного анализа укажем общие закономерности влияния отрицательной обратной связи на показатели усилителя.

Независимо от вида отрицательная обратная связь приводит к уменьшению входного сигнала непосредственно на входе усилителя (U_y или I_у), а следовательно, к уменьшению коэффициента усиления К_Uос. Все виды отрицательной обратной связи стабилизируют коэффициент усиления усилителя.

Последовательная отрицательная обратная связь (см. рис. 2.29, а, б) уменьшает результирующее напряжение U_y на входе усилителя, что сопровождается увеличением входного сопротивления. При этом последовательная обратная связь по напряжению (см. рис. 2.29, а) «стабилизирует» выходное напряжение усилителя, уменьшая выходное сопротивление R_вых._oc, а последовательная обратная связь по току (см. рис. 2.29, б) «стабилизирует» выходной ток усилителя I_н, увеличивая выходное сопротивление R_вых._oc.

Параллельная отрицательная обратная связь (см. рис. 2.29, в) приводит к увеличению входного тока I_вх, в связи с чем уменьшается входное cопротивление усилителя, а также выходное сопротивление R_вых._oc.

Отрицательная обратная связь нашла преимущественное применение в усилителях. Положительная обратная связь в усилителяx обычно нежелательна, однако она может возникать непроизвольно через внутренние или внешние электрические связи. Такая обратная связь, называемая паразитной, может возникать через общие цепи питания усилительных каскадов, а также через паразитные взаимоиндуктивность или емкость между выходными и входными цепями усилителя.

Наличие паразитной обратной связи вызывает изменение амплитудно-частотной характеристики усилителя из-за повышения коэффициента усиления на отдельных участках частотного диапазона или может даже привести к самовозбуждению усилителя, т. е. к возникновению в нем генерации на определенной частоте.

Средствами борьбы с указанным явлением является устранение паразитных связей выходных цепей усилителя с входными. Так. для устранения паразитных связей по цепи питания применяют развязывающие фильтры (цепь R_ф — С_ф на рис. 2.15), отделяющие по переменному току цепи питания входных каскадов от выходных. Устранение паразитных связей каскадов через реактивные элементы достигается соответствующим конструктивным исполнением усилителя, исключающим близкое размещение входного и выходного каскадов и применение длинных проводниковых соединений. Для этого широко используют экранирование каскадов и монтаж экраниро­ванным проводом.