25.Обратная связь в усилителях.

Обратной связью называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы. Обратная связь изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения требуемых параметров усилителя.

С труктурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена ниже.

В общем случае обратная связь в усилителе может быть положительной и отрицательной. Если сигнал обратной связи по фазе совпадает с входным, то связь называется положительной.

Отрицательная обратная связь (ООС) возникает, если фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 180⁰.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя.

По способу получения сигнала обратной связи принято различать обратную связь по напряжению и по току (рис. 51).

Рис 51. Обратная связь по напряжению (а) и току (б)

Можно выделить четыре основные типа цепей обратной связи:

• последовательная обратная связь по выходному напряжению;

• последовательная обратная связь по выходному току;

• параллельная обратная связь по выходному напряжению;

• параллельная обратная связь по выходному току;

В общем случае значение коэффициента передачи цепи обратной связи может как зависеть, так и не зависеть от частоты сигнала. В соответствии с этим различают частотозависимую и частотонезависимую обратные связи. Применение частотозависимых цепей обратной связи позволяет изменять параметры усилительного устройства только в требуемом диапазоне частот.

В качестве звена передачи сигнала обратной связи могут быть использованы как линейные, так и нелинейные элементы. Это позволяет изменять свойства усилителя только для заданных значений входного сигнала.

Рассмотрим более подробно влияние обратной связи на основные характеристики усилителя.

Коэффициент усиления. В реальных усилительных устройствах коэффициент усиления зависит как от параметров используемых элементов, так и от условий эксплуатации: изменения температуры окружающей среды, изменения напряжения питания, старения элементов и т.п.

Нетрудно показать, что при введении ООС относительное изменение коэффициента усиления в (1+К_UOB_OC) меньше, чем без нее.

При ПОС относительное изменение коэффициента усиления усилителя будет больше, чем у исходного усилителя.

Полоса усиливаемых частот. Введение цепи ООС всегда расширяет полосу усиливаемых частот усилителя в (1+K_VOB_OC) раз. В свою очередь при введении ПОС полоса пропускания усилителя уменьшается в (1-K_VOB_OC) раз.

Нелинейные искажения. Введение в усилительное устройство ООС снижает коэффициент нелинейных искажений усилителя и повышает его помехоустойчивость.

Коэффициент нелинейных искажений определяется соотношением:

где U_im – амплитуда i-гармоники.

В предположении, что усилитель является линейной системой, можно сказать, что напряжение любой гармоники на его выходе вне зависимости от природы его возникновения складывается из собственного напряжения этой гармоники и напряжения этой же гармоники, прошедшей через цепь ООС и повторно через усилитель. Следовательно, для произвольной гармоники сигнал на выходе усилителя равен:

,

откуда

Следовательно, любой сигнал, появившийся на выходе усилителя, вне зависимости от природы его возникновения будет уменьшен в (1+K_VOB_OC) раз.

Отсюда:

или

Коэффициент нелинейных искажений при введении в усилитель ООС уменьшается в (1+K_VOB_OC) раз.

Рассуждая аналогично, можно прийти к выводу, что при введении в усилитель цепи ПОС его нелинейные искажения возрастут

Возрастает также и влияние на выходной сигнал усилителя различных внешних помех, таких как напряжение наводок, фон переменного тока и т.п.

Входное сопротивление. Изменение входного сопротивления усилителя, охваченного цепью обратной связи, зависит только от способа ее введения во входную цепь устройства. Выше отмечалось, что обратная связь подразделяется на последовательную и параллельную.

Рис. 52. Структурная схема усилителя с цепью последовательной ООС

Для усилителя, охваченного последовательной ООС (рис. 52) для входного сопротивления можно записать

;

;

,

где – входное сопротивление усилителя без цепи обратной связи.

Таким образом, введение в усилитель последовательной ООС в (1+К_VOB_OC) раз увеличивает его входное сопротивление. Физически этот фактор можно объяснить следующим образом. При введении последовательной ООС на выходе усилителя действует разность напряжений U_ИСТ – U_ООС, что при заданных параметрах источника входного сигнала приводит к фактическому уменьшению его входного тока, что эквивалентно увеличению входного сопротивления усилителя. При наличии ПОС напряжение обратной связи, складываясь с напряжением источника входного сигнала, приводит к увеличению входного тока, что эквивалентно уменьшению входного сопротивления, т.е.

Z_{ВХ ПОС}=Z_ВХo(1-К_Vob_OC)

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

• введение цепи ОС может изменять основные параметры усилительного устройства как количественно, так и качественно;

• выбором коэффициента передачи цепи ПОС можно добиться получения отрицательных значений входного и выходного сопротивлений усилителя;

• способы введения и снятия сигналов ОС могут влиять на характер воздействия обратной связи на параметры усилителя;

• если в качестве элементов цепи ОС использовать частотозависимые элементы, то можно получить частотозависимые параметры усилительного устройства.