6.3.1.   Виды обратных связей

Подпись:  
Рис. 6.9. Простейшая функциональная схема усилителя с ОС
Чтобы усилительные каскады позволили реализовать требуемые высокие технические показатели, практически во всех современных электронных усилителях вводятся специальные цепи обратной связи (ОС). При ОС энергия сигнала передается в направлении обратном направлению усиливаемого сигнала (рис. 6.9), т.е. от последующих цепей в предшествующие (из выходных цепей усилителя во входные).

Усилитель с коэффициентом усиления Ku, охвачен цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь ОС совместно с цепью усилителя, которую она охватывает, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС.

Произведение

β Ku

в усилительной технике называют петлевым усилением или фактором ОС.

Подпись:  

Рис. 6.10. Многопетлевая схема усилителя с ОС
Обратная связь влияет на такие показатели усилителей (усилительных каскадов), как сквозной коэффициент усиления, входное и вы­ходное сопротивления, стабильность коэффициента усиления, АЧХ, коэффициент гармоник и уровень шума и помех. Обратная связь изменяет технические показатели только той части усилителя, которая охватывается петлей ОС. Различают однопетлевую обратную связь (см. рис. 6.9) и многопетлевую (рис. 6.10).

Обратная связь, охватывающую лишь один каскад усилителя (цепи с β1 и β2), называют местной ОС, а ОС, охватывающую несколько каскадов (цепь с β) – общей ОС (см. рис. 6.10). В зависимости от схемной реализации усилителя ОС может быть осуществлена по постоянному току, по переменному току, а также и по постоянному и по переменному току.

В зависимости от способа получения сигнала Uoc различают ОС по току и напряжению:

· если цепь ОС подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке (Rн), то напряжение ОС (Uос) будет пропорционально напряжению на выходе, такую ОС называют ОС по напряжению (рис. 6.11, a);

· если же цепь ОС подключена к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет пропорционально току в нагрузке (Iн); такую ОС называют ОС по току (рис. 6.11, б).

Возможна комбинация этих способов подключения цепи ОС к выходу, в этом случае сигнал ОС пропорционален как напряжению,  так и току выходной цепи. Эта ОС называется комбинированной (рис. 6.11, в).

По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС и смешанную:

· обратную связь называют последовательной, если сигнал ОС действует во входной цепи последовательно с входным сигналом (Uвх), при этом происходит суммирование входного напряжения (Uвх)и напряжения ОС (рис. 6.12, а);

· если же цепь ОС подключается ко входу параллельно источнику сигнала, то ОС называют параллельной (рис. 6.12, б). При этой связи происходит суммирование токов Iвх и ОС;

· в смешанной схеме введения ОС с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС (рис. 6.12, б).

Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительная ОС (ПОС) возникает в том случае, когда напряжение обратной связи (Uос) совпадает по фазе с входным напряжением (Uвх). Если напряжение обратной связи (Uос) противоположно по фазе входному напряжению (Uвх), т.е. они сдвинуты относительно друг друга на 180º, то ОС называется отрицательной (ООС). В усилительных устройствах в основном применяется ООС.

Подпись:  
Рис. 6.13. Структурная схема усилителя с последовательной ООС по напряжению
И, наконец, если коэффициент передачи обратной связи (β) в рабочем диапазоне частот усиления не зависит от частоты, то ОС называется частотно-независимой. Если же β является функцией частоты, то ОС называется частотно-зависимой.

Наиболее распространенной в усилителях является последовательная отрицательная ОС по напряжению (рис. 6.13). Рассмотрим влияние
этого вида ОС на характеристики и параметры усилителя. Здесь усилитель с коэффициентом усиления 

K = Uвых / Uвх

охвачен ОС с коэффициентом передачи

β = Uос / Uвых,

где коэффициент β может принимать значения от 0 до +1 при положительной ОС и от 0 до -1 при отрицательной ОС.

В общем случае напряжение ОС определяется из выражения:

Uос = ± βUвых.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, равен:

Kос = Uвых / Uвх.

Напряжение U*вх, поступающее на вход усилителя,  в общем случае является суммой напряжений Uвх и Uос:

U*вх = Uвх + Uос.

Учитывая, что

Uос = ± βUвых,

получим:

U*вх = Uвх + ( ± βUвых).

Отсюда

Uвх = U*вх – ( ± βUвых).

Тогда коэффициент усиления усилителя с ОС равен:

Kос = Uвых / [U*вх – ( ± βUвых)].

Разделим числитель и знаменатель последнего выражения на U*вх, получим:

Kос = [Uвых / U*вх ] / [ 1 – ( ± βUвых / U*вх)],

Но

Uвых / U*вх = K. 

Таким образом, выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного ОС, принимает вид:

Kос = K / [1 – ( ± βK)],

где (1 ± βK) – называют глубиной ОС. Знак перед фактором ОС βK совпадает со знаком самой ОС.

При положительной ОС знаменатель дроби уменьшается:

Kос = K / [1 – βK],

а коэффициент усиления возрастает. Значение петлевого усиления при этом ограничивается условием:

βK < 1.

При βK ≥ 1, называемого условием самовозбуждения, усилитель теряет устойчивость и не может рассматриваться как усилитель, так как  выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного. Этот режим используется в генераторах.

При отрицательной ОС знаменатель возрастает:

Kос = K / [1 +  βK],

а коэффициент усиления падает.

Несмотря на уменьшение усиления, отрицательная ОС широко используется в усилителях, так как  при ее введении удается улучшить ряд других параметров.

Особое значение для работы усилителя имеет стабильность коэффициента усиления. При работе усилителя его коэффициент усиления не остается постоянным, а изменяется вследствие различных дестабилизирующих факторов: старения усилительных и других элементов, изменения температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения источника питания и т.д.

Изменение коэффициента усиления оценивается относительным изменением коэффициента усиления:

 или

С учетом, что

,

.

Таким образом, относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной ОС, уменьшается в (1 + βK) раз.

При βK >> 1 (при глубокой ОС)

.

То есть коэффициент усиления схемы, охваченной глубокой отрицательной ОС, практически не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а определяется только коэффициентом передачи ОС. Цепь ОС состоит из пассивных элементов, резисторов, которые можно выполнить очень стабильными. В результате удается создавать усилители с очень высокой стабильностью усилителя.