Лекция 10 обратная связь в усилителях (2025)

1. Классификация обратных связей

Обратнойсвязью называют влияние выходнойвеличины на входную, которая в своюочередь существен­ным образом влияетна выходную величину (определяет этувыходную величину). Вусилителях, как правило, ис­пользуетсятак называемая отрицательная обратнаясвязь (ООС. При нали­чии отрицательнойобратной связи выходной сигнал та­кимобразом влияет на входной, что входнойсигнал уменьшается и это приводит куменьшению выходного сигнала.

Когдав 1928 г. была предпринята попытказапатенто­вать отрицательную обратнуюсвязь, то эксперты не уви­дели ееполезности и дали отрицательный ответ.И дей­ствительно, на первый взгляд,отрицательная обратная связь толькоуменьшает коэффициент усиленияусилите­ля. Однако, как это частобывает в технике вообще и в электроникев частности, один недостаток того илиино­го решения может значительноперевешиваться его дос­тоинствами.Отрицательная обратная связь, хотя иуменьшает коэффициент усиления, ноисключительно благо­творно влияетна многие параметры и характеристикиуси­лителя. В частности, уменьшаютсяискажения сигнала, в значительно большемдиапазоне частот коэффициент уси­ленияоказывается не зависящим от частоты ит. д.

Различаютследующих 4 вида обратных связей вусилителе (рис. 1):

последовательнаяпо напряжению (а);

параллельнаяпо напряжению (б);

последовательнаяпо току (в);

параллельнаяпо току (г).

Рис.1

Нарис. 1 обозначено: К — коэффициент прямойпе­редачи, или коэффициент усиленияусилителя без обратной связи; β—коэффициент передачи цепи обратнойсвязи.

Дляопределения вида обратной связи (ОС)нужно «за­коротить» нагрузку. Еслипри этом сигнал обратной свя­зиобращается в нуль, то это ОС по напряжению,если сигнал ОС не обращается в нуль —то это ОС по току. При обратной связи понапряжению сигнал обратной связи,поступающий с выхода усилителя на вход,пропорциона­лен выходному напряжению.При обратной связи по току сигналобратной связи пропорционален выходномутоку. При последовательной обратнойсвязи (со сложением на­пряжений) вкачестве сигнала обратной связииспользу­ется напряжение, котороевычитается (для отрицательной обратнойсвязи) из напряжения внешнего входногосиг­нала. При параллельной обратнойсвязи (со сложением токов) в качествесигнала обратной связи используетсяток, который вычитается из тока внешнеговходного сиг­нала.

2. Параметры и характеристики усилителя, охваченного отрицательной обратной связью

Рассмотримвлияние ООС на примере усилителя,ох­ваченного последовательной обратнойсвязью по напря­жению (рис. 2).

Рис.2

Вструктурную схему входит цепь прямойпередачи и цепь обратной связи (цепьобратной передачи). Предпо­лагается,что указанные цепи линейные. На усилительс обратной связью подается внешнийсинусоидальный вход­ной сигнал и_вх1,ана цепь прямой передачи — сигнал и_вх2.Цепьпрямой передачи характеризуетсякомплексным коэффициентом усиления понапряжению К_и(коэффициентомпрямой передачи):

где—комплексное действующее значениенапряжения обратной связи U_ос.

Коэффициентусиления усилителя, охваченного обратнойсвязью. Этоткоэффициент К_ипсопределяетсяпо формуле

где,— комплексное действующее значениенапряжения

Легкозаметить, что

Величинуназываютглубиной обратной связи (коэффициентомгрубости схемы), а величину называют петлевым усилением. Еслиглубина обратной связи достаточновелика,

Отсюдаможно сделать следующий очень важныйвы­вод: если глубина отрицательнойобратной связи достаточ­но велика,то коэффициент усиления усилителя,охваченного обратной связью К_иос,зависиттолько от свойств цепи обратной связии не зависит от свойств цепи прямойпередачи.

Вцепи прямой передачи используютсяактивные при­боры (транзисторы,операционные усилители и т. д.), ко­торыеобычно не отличаются высокой стабильностьюпараметров. Из-за этого и коэффициентявляется нестабильным. Но если используетсяглубокая отрица­тельная обратнаясвязь и в цепи обратной связи применя­ютсявысокостабильные пассивные элементы(резисторы, конденсаторы и т. д.), то общийкоэффициент усиления К_иосоказываетсястабильным.

Дажеесли глубина обратной связи не настольковели­ка, что можно пренебрегатьединицей в выражении,отрицательная обратная связь, как можнопоказать, уменьшает нестабильностькоэффициента К_иос.

Важноуяснить, что сделанный вывод справедливнеза­висимо от того, какие дестабилизирующиефакторы влияют на изменение величиныК_и(температура,уровень ра­диации и т. д.).

Частотныехарактеристики усилителя, охваченногооб­ратной связью. Еслирассуждать формально, то при на­личиичастотных характеристик для К_ииβ частотные характеристики для К_иосоказываютсяоднозначно определеннымивыражением

Итем не менее очень поучительно болеедетально рас­смотреть вопрос влиянияотрицательной обратной связи на частотныесвойства усилителя. Пусть коэффициентыК_ииВ являются вещественными. Тогда икоэффициент вещественный. Будем для этого случаяиспользовать обозначения К_и,βи К_иосПустьв некотором частот­ном диапазонекоэффициент К_иизменяетсяв пределах от 10000 до 1000 (на 90 % по отношениюк значению 10000), а коэффициент р являетсяпостоянным, р = 0,1. Тогда в соответствиис формулой для К_иосокажется,что К_иосбу­детизменяться в пределах от 9,99 до 9,9 (примернона 1%). Таким образом, изменение коэффициентаусиления пос­ле введения отрицательнойобратной связи станет значи­тельноменьшим.

Важноуяснить, что если все же необходимоповысить коэффициент усиления до 10000,то и в этом случае ис­пользованиеотрицательной обратной связи значительноулучшит стабильность.

Пустьдля получения большого коэффициентаусиле­ния использованы 4 включенныхпоследовательно опи­санных усилителя,охваченных отрицательной обратнойсвязью. Тогда в рассматриваемом диапазонечастот общий коэффициент усиления будетизменяться в пределах от 9960 (9,99. • 9,99 *9,99 • 9,99) до 9606 (9,9 • 9,9 • 9,9 • 9,9).

Изменениесоставит 3,6 % (·100%).Это, очевидно, значительно меньше 90 %.

Втом диапазоне частот, в котором выполняетсяусловие 1Р'/^_М|»1> коэффициентК_иосможноопределить из выражения

Впервом приближении можно считать, чтоединицей можно пренебречь при условии,что

Отсюдаполучаем

Входноесопротивление усилителя, охваченногообратной связью. Обратимсяк структурной схеме усилителя спосле­довательной отрицательнойобратной связью (рис. 2).

Обозначимчерез Z_exвходноекомплексное сопротивле­ние цепипрямой передачи:

где—комплексное действующее значениетокаI_вх.

Найдемвходное комплексное сопротивлениеZ_exocуси­лителя,охваченного обратной связью:

Получим

Пустькоэффициенты К_иир являются вещественными (К_и=К_ииβ = β), тогда

Отсюдаследует, что последовательная отрицательнаяобратная связь увеличивает входноесопротивление по модулю. Практическивсегда это является положительнымфактором.

Выходноесопротивление усилителя, охваченногообрат­ной связью. Обозначимчерез Z_выхиZ_выхос соответственновыходное комплексное сопротивлениецепи прямой передачии выходное комплексное сопротивлениеусилителя,охваченногообратной связью. По определению

гдеприращения комплексных действующихзначений соответственно напряженияи_выхитока I_вых.

Приэтом предполагается, что обратная связьотключе­на (например, выход цепиобратной связи закорочен).

Такжепредполагается, что U_exX=const,аизменение величин вызваноизменением сопротивления нагрузки.

Поопределению

нопри этом предполагается, что обратнаясвязь действуети что .

Вэтом случае причиной возникновенияприращения является не только падениенапряжения на выходном сопротивленииZ_вых,нои появление приращения комплексногодействующего значения напряжения Следовательно,

Знаки«минус» использованы потому, что иувеличение тока 1_вых,иувеличение напряжения и_освызываютумень­шение напряжения и_вых.Отсюдас учетом, что

Получим

Пустькоэффициенты K_uиβ являютсявещественными. Тогда, очевидно,отрицательная обратная связь понапряжению уменьшает выходноесопротивление усили­теля. Очень частоэто является положительным фактором.