1.2.3. Частотные характеристики усилительных устройств

Передаточная функция усилительного устройства позволяет определить его амплитудно-фазовую характеристику (АФХ). Последняя получается путем замены в выражении (1.1.10) оператора , где

- круговая частота:

(1.2.6)

где - соответственно действительная и мнимая части передаточной функции. Обычно амплитудно-фазовую характеристику, построенную в координатах , называют годографом системы (рис. 2.1.11).

Рис. 1.2.1. Пример АФХ (годографа) усилителя

По виду годографа можно судить об основных свойствах системы. Однако на практике большее распространение получили логарифмические АЧХ и ФЧХ, построенные в виде самостоятельных зависимостей. Логарифмической амплитудно-частотной характеристикой ЛАЧХ называется модуль передаточной функции:

( 1.2.7)

а фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) является аргумент передаточной функции:

(1.2.8)

Равенство (1.2.8) справедливо в случае, если Для функций комплексных переменных справедливы выражения:

( 1.2.9)

(1.2.10)

Следовательно, так как произвольная передаточная функция усилительного устройства может быть представлена в виде произведения элементарных сомножителей, то ЛАЧХ и ФЧХ любого усилительного устройства могут быть построены через ЛАЧХ и ФЧХ элементарных звеньев их алгебраическим суммированием. Данный вывод открывает широкие возможности для синтеза, усилительных устройств по заданному виду частотных характеристик.

1.2.4. Обратные связи. Понятие устойчивости

Обратной связью называют связь между цепями усилителя, посредством которой усиливаемый сигнал передается в направлении, обратном нормальному, т. е. не из предыдущих каскадов и цепей в последующие, а, наоборот, от конца усилителя к его началу (рис. 2.2.1).

Рис. 1.2.2. Усилитель с обратной связью. Схема электрическая структурная

Обратная связь может появиться в усилителе по трем причинам:

1) из-за физических свойств и устройства усилительных элементов, (внутренняя обратная связь);

2) из-за введения в схему специальных цепей (внешняя обратная связь);

3) вследствие паразитных емкостных, индуктивных и других связей, создающих пути для обратной передачи сигнала (паразитные обратные связи).

Все виды обратной связи (рис. 1.2.2) могут очень сильно изменять свойства усилителя. Как внутренними, так и паразитными связями нельзя управлять, и они нередко изменяют свойства усилителя в нежелательном направлении, например, приводят к самовозбуждению усилителя. Внешняя же обратная связь - легко управляема, и ее вводят для улучшения свойств усилителя: повышения стабильности коэффициента усиления, снижения искажений всех видов, уменьшения собственных помех и т.д.

Рис. 1.2.3. Виды обратной связи: а - однопетлевая; б - двухпетлевая с независимыми петлями; в -многопетлевая с местной петлей

Замкнутый контур, образуемый щелью обратной связи и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называют петлей обратной связи. Если в усилителе имеется только одна петля обратной связи, связь называют однопетлевой или одноканальной (рис.1.2.2, а), если петель несколько, обратную связь называют многопетлевой или многоканальной (рис.1.2.2, б и в). Связь, охватывающую один каскад усилителя, нередко называют местной обратной связью (рис. 1.2.2, в).

Цепь обратной связи (ОС) можно присоединить к входу и выходу схемы разными способами. Если цепь ОС присоединить к выходу схемы параллельно нагрузке, то напряжение обратной связи будет пропорционально напряжению на нагрузке; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению (рис. 1.2.3, а). Если же цепь обратной связи присоединить к выходу устройства последовательно с нагрузкой, напряжение ОС связи будет пропорционально току в нагрузке, и обратную связь называют обратной связью по току (рис. 1.2.3, б). Если в схеме осуществлена комбинация обоих способов (рис. 1.2.3, в), связь называют комбинированной по выходу или смешанной по выходу обратной связью.

Рис. 1.2.4. Простейшие способы снятия обратной связи: а – по напряжению; б – по току; в – смешенная по выходу

Ко входу устройства цепь обратной связи также можно подключить тремя способами: последовательно с источником сигнала (рис. 1.2.4, а), параллельно ему (рис. 1.2.4, б) и смешанным способом (рис. 1.2.4, в); в первом случае связь называют последовательной обратной связью, во втором - параллельной обратной связью и в последнем - комбинированной по входу или смешанной по входу обратной связью.

Обратную связь называют положительной, если ее (напряжение находится точно в фазе с ЭДС источника сигнала, подводимой ко входу устройства, и складывается с последней, увеличивая таким образом напряжение сигнала на входе. Если же напряжение обратной связи находится точно в противофазе с ЭДС источника сигнала, а, следовательно, вычитается из нее, уменьшая сигнал на входе, обратную связь называют отрицательной. При сдвиге фаз между напряжением обратной связи и ЭДС источника сигнала, отличающимся от 0° и от 180°, обратную связь называют комплексной.

Для обобщенной структурной схемы усилителя с положительной обратной связью (рис.1.2.1) можно записать:

(1.2.11)

(1.2.12)

где - коэффициент передачи цепи обратной связи.

Отсюда

(1.2.13)

Полученное выражение показывает, что введение в усилитель положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. Если b_ос достигает значения то знаменатель в (1.2.13) обращается в ноль, что физически соответствует получению бесконечного коэффициента усиления. При дальнейшем увеличении становится отрицательным, а передаточная характеристика при этом перестает быть однозначной. Для отрицательной обратной связи (ООС)

(1.2.14)

тогда

(1.2.15)

Введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя.

Рис. 1.2.5. Простейшие способы введения обратной связи: последовательная (а), параллельная (б), смешанная по входу (в)

Если отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе от частоты не зависит (цепь обратной связи не содержит индуктивностей и емкостей), обратную связь называют частотно-независимой, если же указанное отношение напряжений от частоты зависит, связь называют частотно-зависимой.