Виды обратной связи. Связь, когда происходит передача сигнала (напряжения, тока) из выходной цепи усилителя во входную, получила название обратной связи. В усилителях обратная связь (ОС) используется для уменьшения нелинейных и линейных искажений, а также для повышения стабильности коэффициента усиления и режима работы усилительных элементов. Как следует из рис. 5.5, на входе (точка 1) складываются сигналы, поступающие от источника сигнала и через цепь обратной связи с выхода усилителя. Если сигналы складываются в фазе, т.е. их фазы совпадают, то общая амплитуда возрастает по сравнению с амплитудой сигнала источника, что приводит к увеличению амплитуды сигнала и на выходе усилителя (точка 2, рис. 5.5). В этом случае имеет место положительная обратная связь. Если же сигналы в точке 1 складываются в противофазе, то такую обратную связь называют отрицательной (ООС). При ООС общи^ входной сигнал уменьшается, уменьшается также сигнал на выходе усилителя,
Источник сигнала
С целью улучшения выше указанных параметров усилителя в современных усилительных устройствах применяется в основном ООС. Положительная обратная связь применяется в генераторах гармонических и импульсных сигналов, а также она как положительный фактор может использоваться в сравнивающих устройствах и формирователях импульсов. В остальных случаях положительная обратная связь - явление нежелательное (в дальнейшем под словом «обратная связь» будем подразумевать отрицательную обратную связь, положительная обратная связь будет оговорена).
По своей природе обратная связь может быть:
Паразитная ОС - такая обратная связь, которая возникает счет паразитных цепей, часто являющихся неотъемлемой частью усилительного каскада.
Специальная обратная связь, организованная путем введення в схему усилителя дополнительных цепей обратной связи.
По структуре организации обратная связь бывает местной и общей. Местная ОС охватывает только один каскад усилителя, общая -весь усилитель или несколько его каскадов.
Эквивалентную схему усилителя с обратной связью удобно представить в виде двух соединенных четырехполюсников, один и> которых - усилитель, другой - цепь обратной связи. В зависимости от способа их соединения различают четыре вида обратной связи.
1. Параллельная ОС по напряжению (рис, 5.6, а)% при которой на вход Iі - Iі цепи ОС (3 поступает выходное напряжение усилителя
Последовательная ОС по напряжению (рис. 5.6, б). Она отличается от параллельной тем, что выходные зажимы цепи ОС соединены последовательно с входными зажимами усилителя.
Параллельная ОС по току (рис. 5.6, в). При такой связи входные зажимы Iі - Iі цепи ОС соединены последовательно с выходными зажимами усилителя, вследствие чего напряжение, поступающее в цепь ОС, пропорционально выходному току усилителя.
Последовательная ОС по току (рис. 5.6, г). Она отличается от параллельной ОС последовательным соединением зажимов Iі - Iі и 21-21 цепи ОС.
В качестве примера можно привести однокаскадный инвертирующий усилитель с сопротивлением в эмиттерной цепи, в котором отсутствует шунтирующая емкость Сj (рис. 5.7). При последовательной обратной связи цепь ОС соединена последовательно как с источником сигнала, так и входом усилителя, поэтому такая связь в значительной степени зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Действительно, чем больше это сопротивление, тем меньше ток ОС и, следовательно, меньше влияние ОС на усиление. При расчете значения эквивалентного внутреннего сопротивления источника сигнала элементы в цепи базы, обеспечивающие необходимое смещение, - Rfll, R(i2 и разделительный конденсатор Ср/ -относят к источни-
ка
ку сигнала. Полное эквивалентное внутреннее сопротивление источ. ника сигнала определяют как
ZllK6= l/[l/Roi + I/R02 + "(Л, +1/jG)Cpl)].
Из рис. 5.7 очевидно, что в данной схеме отрицательная ОС, так как напряжение на входе каскада (напряжение между базой и эмиттером транзистора) меньше напряжения, поступающего от источника сигнала:
ис=и6Х + иэ.
Напряжение обратной связи определяется падением напряжения на R3:
U3 = I3R3 = U0C. С точностью, достаточной для инженерных расчетов, коэффициент передачи цепи обратной связи Р определяется как
[3 =иж /ишх =(/„ /UK = h #э Пк *л = /Ла-Если к выходу каскада подключен вход следующего каскада или же сопротивление нагрузки, то вместо RR берут действующее значение сопротивления общей нагрузки /?„..
по
Признаком последовательной ОС является то, что ток от источника сигнала протекает последовательно по цепи, образующей напряжение обратной связи, которое пропорционально выходному току усилительного каскада, и при коротком замыкании источника сигнала ОС сохраняется. ОС сохраняется и при коротком замыкании на выходе усилителя (при RK = 0), что является признаком ОС по току.
Пример параллельной ОС по напряжению (рис. 5.8). Эффективность действия этого вида обратной связи на параметры и характеристики усилителя зависит от сопротивлений источника сигнала и нагрузки. ОС не проявляется при бесконечно малых значениях этих сопротивлений, т.е. в режиме короткого замыкания. При параллельной ОС во входной цепи усилителя происходит сложение токов от источника сигнала 1С и цепи ОС 1ос., следовательно, входное напряжение усилителя понижается за счет этого тока:
В схеме с параллельной ОС по напряжению (рис. 5.8) сопротивление цепи ОС Rf, играет также роль элемента коллекторной термостабилизации и сопротивления подачи смещения на базу транзистора.
Коэффициент передачи цепи ОС можно определить из классического соотношения р = ^ос , если известны значения напряжений
ОС и напряжения на выходе усилителя. Для удобства записи при получении нужных соотношений воспользуемся проводимостями, указанными в схеме сопротивлений, т.е. вместо R6 =>gCG, Ri =>gi, входного сопротивления транзистора - Rex Тр =>gex.
Из рис. 4.8 очевидно, что ток в цепи ОС, состоящей из R6, вход, ной проводимости транзистора gsx и внутренней проводимости ис. точника сигнала gu можно определить как
I™ = goc (UeMX - UJ *goc U6blx, т.к. Цвш » U«x. (5л) Ток цепи ОС создает на входном сопротивлении транзистора и внутреннем сопротивлении источника сигнала одинаковое падение напряжения, равное
Uос = L-/(gi + &х)' (5.2) где 10С - ток цепи ОС. Подставляя (5.1) в (5.2), получим:
Uое = goc ивш I (g і + gBX). (5.3)
С учетом (5.3) можно записать выражение для коэффициента передачи цепи ОС:
Признаком параллельной ОС является ее наличие при холостом ходе на входе усилителя, а наличие ОС при холостом ходе на выходе усилителя свидетельствует о том, что ОС по способу снятия - по напряжению.
Способ снятия ОС не зависит от способа ее подачи, и наоборот. Поэтому, не рассматривая схем других форм организации ОС, отметим, что можно построить схему усилителя с параллельной ОС по току, последовательной ОС по напряжению, с комбинированной обратной связью.
Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики усилителя. Влияние ОС на коэффициент усиления усилителя. В общем случае коэффициент усиления усилителя - комплексная величина, зависящая от частоты и фазы сигнала. Однако в широком диапазоне усиливаемых частот, в частности, в обласіи средних частот, можно пользоваться его модулем, т.е. действительной частью.
Влияние ОС на коэффициент усиления рассмотрим на примера случая последовательной ОС по току (рис. 5.7) в предположении, что коэффициент передачи входной цепи /с=/. Собственный коэффициент усиления усилителя, т.е. коэффициент усиления без ОС определяется
как К = UGblx / Uex, здесь ивых - напряжение усиленного сигнала на выходных зажимах усилителя (на нагрузке), Uex - напряжение на входных зажимах усилителя, поступающее от источника сигнала. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью Кис определяется как отношение выходного напряжения (напряжения на выходных зажимах усилителя) к напряжению сигнала, подаваемого с выходных зажимов источника сигнала, т.е.
Кос = ивых/ис. (5.4) Напряжение источника сигнала при действии цепи ОС не равно напряжению на входных зажимах усилителя, т.е. U6X * UCt так как U6X = Uс - Uoc. Тогда (5.4) можно представить как
Кос-"™ ? (5-5)
Разделив и числитель, и знаменатель (5.5) на UBX, и с учетом коэффициента передачи цепи ОС можно записать:
ос 1-J3K
где $К = Uос /U6X = $UGblx/UGX, К = ивых/ибХ, - собственный коэффициент усиления усилителя.
При положительной обратной связи коэффициент усиления может достичь очень больших значений. Для положительной обратной связи $К>0, следовательно, коэффициент усиления усилителя с положительной ОС:
к - к Пос~ i-W
В случае отрицательной ОС произведение р/С является действительным отрицательным числом, коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью:
Кт =—^— . (5.7)
Из (5.7) следует, что коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью (ООС) всегда меньше, чем его собственный коэффициент усиления в (1+p/Q раз. Это отношение принято называть глубиной обратной связи, т.е. 1 + р/С =F - глубина ООС. Следо-
мз
вательно, при наличии обратной связи коэффициент усиления усили, теля уменьшается в глубину отрицательной обратной связи раз:
F
Можно доказать, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ОС также в F раз меньше, чем усилителя без ОС, т.е.
ЛК0С/К0С= &K/KF При очень глубокой обратной связи коэффициент усиления практически не зависит от параметров самого усилителя, а определяется только параметрами элементов цепи обратной связи. Действительно, при (1+р/ф »1. F = р/С, следовательно
к = -*- = ! ос р/с р'
Влияние обратной связи на частотную характеристику усилителя. Введение частотно-независимой ООС в усилитель приводит к выравниванию амплитудно-частотной характеристики усилителя и расширению полосы усиливаемых частот за счет уменьшения коэффициента усиления каскада (рис. 5.9). Это объясняется тем, что наибольшее уменьшение коэффициента усиления происходит в области средних частот (где собственный коэффициент усиления усилителя наибольший), т.к. глубина обратной связи тем больше, чем больше собственный коэффициент усиления усилителя. На нижних и верхних усиливаемых частотах собственный коэффициент усиления уменьшается, уменьшается при этом и глубина обратной связи, следовательно, степень уменьшения коэффициента усиления с ОС на этих частотах меньше, чем на средних.
Расширение полосы пропускания усиливаемых частот за счет ООС приводит к уменьшению коэффициента частотных (линейных) искажений в
= ! + раз, г
где М и М(к - коэффициенты частотных искажений усилителя без и с обратной связью соответственно.
Влияние обратной связи на нелинейные искажения (коэффициент гармоник). Введение отрицательной обратной связи позволяет уменьшить нелинейные искажения и является практически единственным эффективным способом борьбы с ними. Природа нелинейных искажений объясняется появлением в спектре выходного сигнала «новых» гармонических составляющих, которые и обусловливают эти искажения. Следовательно, источником напряжений гармоник является сам усилитель, вернее - усилительный элемент с нелинейной характеристикой. При введении ОС дополнительные гармонические составляющие выходного сигнала попадают на вход усилителя и снова появляются на его выходе в противофазе с новыми гармонически-ми составляющими:
Uroc = Ur-Ur„ = Ur- иГ(КЖф, (5.8)
где Ur - напряжение дополнительных гармонических составляющих (новых гармоник) на выходе усилителя; Ur„ - напряжение гармоник, попавших на вход усилителя по цепи ОС и усиленных усилителем; Uroc - результирующее напряжение гармоник на выходе усилителя с отрицательной обратной связью. Решив уравнение (5.8) относительно иГос, получим, что после введения ООС напряжение гармоник на выходе усилителя уменьшается в Fpas:
Uroc = Ur/(! +-K$) = Ur/F. (5.9) Так как коэффициент гармоник однозначно определяется уровнем напряжений гармоник, то из (5.9) следует:
Л / ос - ~ТГ > Г
т.е. коэффициент гармоник усилителя с ООС в F раз меньше, цщ усилителя без обратной связи.
При последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя увеличивается в Fpas:
Также при обратной связи по току увеличивается в F раз выход, ное сопротивление усилителя:
RBbIX ==(1 + Р^)^вых > при параллельной обратной связи входное сопротивление усилителя уменьшается:
пОС ^вх квх ~"
при обратной связи по напряжению уменьшается также выходное сопротивление:
дОС „ ^вых ВЫХ ~ 1 + р*"
Общая обратная связь. Общая обратная связь охватывает два и более каскадов. Вид обратной связи при этом может быть любой, т.е. последовательная по току, параллельная по напряжению и т.д. Условное изображение усилителя с общей обратной связью приведено на рис. 5.10.
ЄМЕНЕ
Отметим, что при общей отрицательной обратной связи снижается устойчивость усилителя, так как каждый из каскадов вносит дополнительный сдвиг фазы. При этом если число каскадов, охваченных ОС, будет равно или больше трех, суммарный сдвиг фазы может равняться 180°, и обратная связь станет положительной.
