Влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя

Обратные связи и их виды

Обратной связью называется такая связь выхода устройства с его входом, при которой часть энергии сигнала подается с выхода на вход.

Если ОС возникает самопроизвольно, ее называют паразитной. Если вводится преднамеренно – искусственной.

Искусственные ОС широко применяют для улучшения технических показателей и характеристик устройств.

Различают ОС местную и общую. Местной называют ОС, охватывающую часть устройства, например, один каскад усилителя. Общей – охватывающую все устройство.

Изобразим простейшее соединение усилителя, имеющего коэффициент усиления , с цепью ОС, имеющей коэффициент передачи .

 

 

Рис. 1

 

Здесь - коэффициент передачи цепи ОС.

                                                                                   (1)

Он показывает какая часть выходного напряжения подается на вход.

Сигнал ОС (напряжение ОС) с выхода цепи ОС вместе с входным сигналом () подается на вход усилителя. Для определенности взяты напряжения. Во входной цепи усилителя происходит векторное сложение их комплексных амплитуд.

                                                                        (2)

Если амплитуда

                                                                                   (3)

и ОС увеличивает коэффициент усиления (т.к. увеличение  приводит к увеличению ), такая связь называется положительной.

Если же

                                                                                (4)

и коэффициент усиления уменьшается, то связь называется отрицательной.

При положительной ОС фаза напряжения ОС совпадает с фазой входного напряжения, при отрицательной – противоположна фазе входного напряжения в основной части диапазона усиливаемых частот (на средних частотах). (На краях рабочего диапазона возникают дополнительные фазовые сдвиги.)

В усилителях обычно используется отрицательная ОС (ООС). Положительная – редко, в специальных случаях.

Различают так же ОС частотнозависимую  и частотнонезависимую. Частотнозависимая ОС – связь, свойства которой зависят от частоты (например, через конденсатор).

 

Обратные связи различается по способу снятия сигнала ОС с выходной цепи усилителя и по способу подачи во входную цепь.

По способу снятия различают ОС по напряжению и по току.

 

 

При ОС по напряжению вход цепи ОС присоединен к выходу усилителя, параллельно нагрузке. Напряжение на выходе цепи ОС () пропорционально напряжению на нагрузке.

При ОС по току вход цепи ОС присоединен к выходу усилителя последовательно с нагрузкой.  пропорционально току в нагрузке.

Для определения вида ОС надо мысленно разорвать цепь нагрузки. Если связь исчезнет, то это ОС по току, если останется – по напряжению.

Возможна комбинация этих способов – комбинированная связь.

По способу передачи различают ОС последовательную и параллельную.

При последовательной ОС выход цепи ОС подключается к входу усилителя последовательно с источником сигнала, при параллельной – параллельно входу усилителя.

Для определения способа введения ОС во входную цепь усилителя надо мысленно закоротить источник сигнала

().                                                                                 (5)

Если связь исчезнет, то это параллельная связь, если останется – последовательная.

 

Петля ОС и ее параметры

Петля ОС - это замкнутый кольцевой путь, который проходит сигнал через усилитель и цепь ОС. Структурную схему петли ОС (усилитель с ОС) можно изобразить следующим образом:

Она включает четырехполюсник усилителя -  и четырехполюсник ОС - .

Схему можно изобразить более упрощенно (рис.1).

Важным параметром, характеризующим передачу сигнала по петле ОС, является петлевое усиление (или возвратное отношение).

                                                                                    (6)

 представляет собой общий коэффициент передачи соединенных каскадно четырехполюсника усилителя и четырехполюсника ОС. (коэффициент передачи входной и выходной цепей считаем =1)

Разность

                                                                                  (7)

называется возвратной разностью. Она представляет собой разность между напряжением, поданным в разрыв петли ОС, и напряжением, возвратившимся к тем же точкам после обхода петли (разность нормируется относительно поданного напряжения).

Модуль возвратной разности

                                                                                  (8)

называется глубиной ОС.

При положительной ОС:

                                                                                    (9)

При отрицательной ОС:

                                                                                  (10)

 

Обратные связи и их виды

Обратной связью называется такая связь выхода устройства с его входом, при которой часть энергии сигнала подается с выхода на вход.

Если ОС возникает самопроизвольно, ее называют паразитной. Если вводится преднамеренно – искусственной.

Искусственные ОС широко применяют для улучшения технических показателей и характеристик устройств.

Различают ОС местную и общую. Местной называют ОС, охватывающую часть устройства, например, один каскад усилителя. Общей – охватывающую все устройство.

Изобразим простейшее соединение усилителя, имеющего коэффициент усиления , с цепью ОС, имеющей коэффициент передачи .

 

 

Рис. 1

 

Здесь - коэффициент передачи цепи ОС.

                                                                                   (1)

Он показывает какая часть выходного напряжения подается на вход.

Сигнал ОС (напряжение ОС) с выхода цепи ОС вместе с входным сигналом () подается на вход усилителя. Для определенности взяты напряжения. Во входной цепи усилителя происходит векторное сложение их комплексных амплитуд.

                                                                        (2)

Если амплитуда

                                                                                   (3)

и ОС увеличивает коэффициент усиления (т.к. увеличение  приводит к увеличению ), такая связь называется положительной.

Если же

                                                                                (4)

и коэффициент усиления уменьшается, то связь называется отрицательной.

При положительной ОС фаза напряжения ОС совпадает с фазой входного напряжения, при отрицательной – противоположна фазе входного напряжения в основной части диапазона усиливаемых частот (на средних частотах). (На краях рабочего диапазона возникают дополнительные фазовые сдвиги.)

В усилителях обычно используется отрицательная ОС (ООС). Положительная – редко, в специальных случаях.

Различают так же ОС частотнозависимую  и частотнонезависимую. Частотнозависимая ОС – связь, свойства которой зависят от частоты (например, через конденсатор).

 

Обратные связи различается по способу снятия сигнала ОС с выходной цепи усилителя и по способу подачи во входную цепь.

По способу снятия различают ОС по напряжению и по току.

 

 

При ОС по напряжению вход цепи ОС присоединен к выходу усилителя, параллельно нагрузке. Напряжение на выходе цепи ОС () пропорционально напряжению на нагрузке.

При ОС по току вход цепи ОС присоединен к выходу усилителя последовательно с нагрузкой.  пропорционально току в нагрузке.

Для определения вида ОС надо мысленно разорвать цепь нагрузки. Если связь исчезнет, то это ОС по току, если останется – по напряжению.

Возможна комбинация этих способов – комбинированная связь.

По способу передачи различают ОС последовательную и параллельную.

При последовательной ОС выход цепи ОС подключается к входу усилителя последовательно с источником сигнала, при параллельной – параллельно входу усилителя.

Для определения способа введения ОС во входную цепь усилителя надо мысленно закоротить источник сигнала

().                                                                                 (5)

Если связь исчезнет, то это параллельная связь, если останется – последовательная.

 

Петля ОС и ее параметры

Петля ОС - это замкнутый кольцевой путь, который проходит сигнал через усилитель и цепь ОС. Структурную схему петли ОС (усилитель с ОС) можно изобразить следующим образом:

Она включает четырехполюсник усилителя -  и четырехполюсник ОС - .

Схему можно изобразить более упрощенно (рис.1).

Важным параметром, характеризующим передачу сигнала по петле ОС, является петлевое усиление (или возвратное отношение).

                                                                                    (6)

 представляет собой общий коэффициент передачи соединенных каскадно четырехполюсника усилителя и четырехполюсника ОС. (коэффициент передачи входной и выходной цепей считаем =1)

Разность

                                                                                  (7)

называется возвратной разностью. Она представляет собой разность между напряжением, поданным в разрыв петли ОС, и напряжением, возвратившимся к тем же точкам после обхода петли (разность нормируется относительно поданного напряжения).

Модуль возвратной разности

                                                                                  (8)

называется глубиной ОС.

При положительной ОС:

                                                                                    (9)

При отрицательной ОС:

                                                                                  (10)

 

Влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя

 

Рассмотрим снова структурную схему усилителя с ОС (рис. 1)

Коэффициент усиления усилителя без учета ОС:

                                                                                 (11)

Напряжение на выходе усилителя:

                                                (12)

Тогда для усилителя охваченного ОС:

(13)

                                                                          (14)

Полученная формула связывает коэффициенты усиления усилителя, охваченного ОС, и усилителя без ОС.

Запишем формулу в другом виде, учитывая, что

                                                                        (15)

,                                                                     (16)

где  - фазовый сдвиг, вносимый цепью усилителя,

 - фазовый сдвиг, вносимый цепью ОС.

Тогда

,                                                      (17)

где

                                                              (18)

- полный фазовый сдвиг по петле ОС (он же фазовый сдвиг между напряжением ОС и напряжением, подаваемым на вход усилителя).

При положительной ОС

;                                                               (19)

т.е. коэффициент усиления возрастает. При определенных условиях это приводит к самовозбуждению усилителя, т.е. переходу усилителя в режим автогенерации.

При отрицательной ОС

.                                                               (20)

Для средних частот рабочего диапазона усилителя можно записать (для усилителя с ООС)

,                                                                         (21)

т.е. коэффициент усиления уменьшается. При этом коэффициент усиления становится более стабильным (мало меняется под влиянием дестабилизирующих факторов: изменение температуры, напряжения питания, параметров усилительных элементов и пр.)