Обратные связи в усилителях.

Обратной связью называется передача части выходного напряжения усилителя на его вход.

Различают четыре вида обратной связи:

-последовательная по напряжению ;

-параллельная по напряжению;

-последовательная по току;

-параллельная по току.

На схемах рис. 7, а-г представлены соответственно все эти виды обратных связей

Во всех схемах “К” - коэффициент усиления усилителя без обратной связи, а - “ β“ коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для определения вида обратной связи нужно “закоротить” нагрузку. Если напряжение обратной связи уменьшается до нуля, то в этом случае будет обратная связь по напряжению. Если напряжение обратной связи возрастает, то это обратная связь по току.

Рассмотрим влияние обратной связи на параметры усилителя на примере усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению (рис. 7,а).

а

б

в

Рис. 7. Виды обратных связей.

На вход усилителя подается синусоидальный сигнал. Комплексное значение коэффициента усиления по напряжению

Ќ_u = U _ВЫХ / U_{ВХ 2} , (1)

где U _ВЫХ и U_{ВХ 2} – комплексные действующие значения напряжений.

Коэффициент обратной связи:

β = U _ОС / U_ВЫХ . (2)

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью _:

Ќ_uОС = U _ВЫХ / U_{ВХ 1}. (3)

Учитывая формулы (1) и (2), а также, что U_{ВХ 2} = U_{ВХ 1} + U_ОС, можно преобразовать формулу (3) следующим образом:

Ќ_{u ОС} = U _ВЫХ / U_{ВХ 1} = Ќ_u U_{ВХ 2} / (U_{ВХ 2} - U_ОС)= Ќ_u U_{ВХ 2} / (U_{ВХ 2} - β U_ВЫХ) = Ќ_u U_{ВХ 2} / (U_{ВХ 2} - β Ќ_u U_{ВХ 2}) = Ќ_u / (1 - β Ќ_u ).

Таким образом, Ќ_uОС = Ќ_u / (1 - β Ќ_u ).

Произведение βЌ_u определяет характер обратной связи и величину коэффициента усиления. Так как коэффициент усиления усилителя и коэффициент цепи обратной связи являются в общем случае комплексными величинами, то учитывая фазовые сдвиги, вносимые в сигнал, соответственно цепью усилителя и цепью обратной связи, можно записать:

Ќ_{u ОС}= К_U e^jφ / 1- К_U e^jφ β e^{jφ ос} = К_U e^jφ / 1- К_U β e ^{j ( φ ос} +^φ)

Если φ +φ_ос = π , 3π, 5π, ……n π, где n – нечетное число, e ^{j ( φ ос} +^φ) = -1 и

Ќ_{u ОС} =К_U e^jφ / 1+ К_U β.

Фаза в цепи обратной связи изменяется на 180⁰ и поступает в противофазе по отношению к входному сигналу.

В усилителе создается отрицательная обратная связь (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления усилителя. Кроме того, наличие ООС уменьшает коэффициент гармоник, расширяет полосу пропускания усилителя.

Пусть К_U изменяется в пределах от1000 до 10000 в некотором частотном диапазоне, а коэффициент β =0,1 и остается постоянным. Тогда в соответствии с формулой

К_{U ОС} = К_U / 1+ К_U β.

К_U изменяется от 9,9 до 9,99. Таким образом изменение становится значительно меньше (≈ 1% ).

Входное сопротивление усилителя с ООС увеличивается, а выходное уменьшается.

R_ВХ =U_ВХ2/I_ВХ ; R_ВХОС = U_ВХ2/I_ВХ+U_ОС/I_ВХ =U_ВХ2/I_ВХ+U_ВХ2 К_U β/I_ВХ R_ВХОС = R_ВХ (1+ К_U β).

Напряжение на выходе усилителя при наличии ООС уменьшается на величину Δ U_ОС = Δ U_ВЫХ β , а так как Δ U_ВЫХ = - Δ I_ВЫХ R_ВЫХ - Δ U_ОСК_U, то Δ U_ВЫХ = - Δ I_ВЫХ R_ВЫХ - Δ U_ВЫХ К_U β. Знак “ минус” учитывает то обстоятельство, что при увеличении выходного тока, напряжение обратной связи увеличивается, а выходное напряжение уменьшася. Следовательно, R_{ВЫХ ОС} = - Δ U_ВЫХ / Δ I_ВЫХ = R_ВЫХ / (1 +К_U β).

Если φ +φ_ос = 2π , 4π, 6π, ……n π, где n – четное число, e ^{j ( φ ос} +^φ) = +1 и

Ќ_{u ОС} =К_U e^jφ / 1- К_U β .

Фаза сигнала из цепи обратной связи совпадает с фазой входного. В усилителе создается положительная обратная связь (ПОС), которая увеличивает коэффициент усиления и может привести к самовозбуждению схемы.