Влияние обратной связи на основные показатели усилителя

В усилителях применяется отрицательная обратная связь. Приме­нение её позволяет улучшить показатели качества усилителя, в част­ности: повысить стабильность коэффициента усиления; уменьшить частотные, фазовые и переходные искажения; уменьшить нелинейные искажения; ограничить влияние собственных шумов.

При этом различные виды отрицательной связи влияют на отдельные технические показатели усилителя по - разному.

Влияние отрицательной связи на коэффициент усиления и его стабильность. В усилителе с обратной связью напряжение на входе изменяется в результате действия обратной связи, т.е

U_вх = U_ис - U_oc, (1.26)

где U_вх - напряжение на входе усилителя;

U_ис - напряжение источника сигнала;

U_oc - напряжение обратной связи.

Напряжение обратной связи является частью выходного:

U_oc = U_вых·β, (1.27)

где β- коэффициент передачи цепи обратной связи.

Коэффициент усиления усилителя при отрицательной обратной связи равен

К_оос = К_u / (1 + β ·К_u) (1.28)

Из этого выражения становится ясно, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления по напряжению в (1 +βК_u) раз. Сумма (1+βК_u) называется глубиной обратной связи. Она показывает, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления при введе­нии обратной связи. Произведение βKu называется коэффициентом петлевого усиления. Он равен отношению напряжения обратной связи к первоначальному напряжению:

β·K_u = U_oc / U_вх. (1.29)

Рисунок 1.14 – Схема к определению коэффициента усиления при обратной связи по напряжению

Коэффициент усиления должен быть постоянным. Однако на показатели усилителя действую ряд дестабилизирующих факторов: нестабильность источников электропитания, разброс параметров элементов схемы и их старение, изменение температуры окружающей среды и т.д. Все это вызывает нестабильность параметров, в том числе и коэффициент усиления.

При отрицательной обратной связи нестабильность коэффициен­та усиления уменьшается пропорционально глубине обратной связи.

Физическая сущность стабилизации коэффициента усиления состо­ит в следующем. Если, например, по каким-либо причинам усиление увеличилось, то напряжение на выходе возрастёт, вызывая увеличение напряжения обратной связи, что ведет к уменьшению напряжения на входе, а следовательно, и на выходе. В результате напряжение на выходе изменится незначительно. Так же стабилизация осуществляется и при уменьшении усиления.

Влияние отрицательной обратной связи на частотную, фазо­вую и переходную характеристики. Частотно - независимая отрица­тельная обратная улучшает частотную, фазовую и переходную харак­теристики усилителя, расширяя полосу усиливаемых частот. Это про­исходит потому, что на крайних частотах диапазона, где усиление обратной связи уменьшается, глубина обратной связи, также уменьша­ется. А так как напряжение обратной связи уменьшается, то суммарное напряжение на входе возрастает и усиление увеличится. В результате частотная характеристика поднимается и полоса усиливаемых частот расширяется, как показано на рисунке 1.15, на котором кривая 1 -частотная характеристика усилителя без обратной связи, кривая 2-частотная характеристика усилителя с отрицательной обратной связью. Таким образом отрицательная обратная связь выравнивает частотную характеристику.

Рисунок 1.15- Выравнивание частотной характеристики при отрицательной обратной связи

Отрицательная обратная связь уменьшает фазовые сдвиги в усили­телей фазовая характеристика приближается к линейной. Фазовые искажения в усилителе под действием отрицательной обратной связи уменьшаются.

Переходная характеристика в усилителях с отрицательной обратной связью также улучшается, поскольку уменьшается время восстановления, Это происходит вследствие уменьшения входной ёмкости усилительных приборов под действием отрицательной обрат­ной связи. Спад вершины импульса уменьшается в результате стаби­лизации коэффициента усиления усилителя, т.е. подъёма частотной характеристики.

В усилителях часто необходимо скорректировать (исправить) опре- делённый участок частотной характеристики. Для этого используется частотно-зависимая отрицательная обратная связь, в цепи которой имеются частотно-зависимые элементы (индуктивности, ёмкости).

Принцип действия частотно-зависимой отрицательной обратной связи рассмотрим на примере цепи, состоящей из резистора Roc и кон­денсатора С_ос (рисунок 1.16.а). На высоких частотах сопротивление конденсатора С_ос уменьшается, шунтируя выход цепи обратной связи.

С повышением частоты шунтирующее действие ёмкости возрастает и напряжение на выходе цепи обратной связи уменьшается. Частотная характеристика коэффициента передачи напряжения цепи обратной связи р снижается (участок БВ на рисунке 1.16,б), т.е. действие обратной связи уменьшается и коэффициент усиления каскада увеличивается. Частотная характеристика в корректируемой области частот поднимается (участок БВ на рисунке 1.16,в). На рисунке 1.16,в кривая 1 изображает частотную характеристику усилителя без обратной связи, кривая 2- частотную характеристику усилителя с цепью обратной связи.

Влияние отрицательной обратной связи на нелинейные искажения и динамический диапазон усилителя. В процессе работы усилителя из-за нелинейности вольт-амперной характеристики усили­тельных приборов (транзисторов, ламп) возникают нелинейные иска­жения, т.е. появляются новые гармоники, которых не было на входе усилителя. По цепи обратной связи поступают на вход усилителя и, прой­дя через усилитель, оказываются на выходе, но уже в противофазе с первоначально возникающими гармониками. Поэтому амплитуды паразитных гармоник на выходе усилителя оказываются ослабленными. А значение напряжения полезного сигнала доводится до прежнего увели­чением входного напряжения в (1 + βК_u) раз. Следовательно, введение отрицательной обратной связи увеличивает соотношение между полезным сигналом и паразитными гармониками, возникающими в усилителе.

Таким образом отрицательная обратная связь уменьшает на выходе напряжения различных помех, возникающих в усилителе. Следует отметить, что отрицательная обратная связь уменьшает только те помехи, которые возникают в самом усилителе, охваченном обратной связью, но не уменьшает помехи, подведенные ко входу усилителя вместе с полезным сигналом. Благодаря уменьшению внутренних по­мех расширяется динамический диапазон усилителя. Такое действие отрицательной обратной связи наблюдается при всех способах введе­ния обратной связи.

б) в)

а - схема с частотно-зависимой обратной связью,

б, в - частотные характеристики

Рисунок 1.16 - Структурная схема усилителя с обратной частотно-зависимой обратной связью и её характеристики

Влияние отрицательной обратной связи на входное и выход­ное сопротивление. Различные виды отрицательной обратной связи влияют на входное и выходное сопротивление усилителя по-разному.

Характер изменения входного сопротивления усилителя, охва­ченного отрицательной обратной связью, определяется способом введения сигнал а во входную цепь и не зависит от способа снятия его с выходной цепи.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя. Это можно объяснить так. Поскольку напряжение отрицательной обратной связи противопо­ложно по фазе напряжению источника входного сигнала, напряжение на входе усилителя и входной ток уменьшаются, что эквивалентно увеличению входного сопротивления.

Входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной об­ратной связью, можно определить по формуле

Z_вх.ос.= Z_вx (1 +β·K_u), (1.30)

Входное сопротивление усилителей обычно имеет активную Rвx и ёмкостную Х_с составляющую. Так как в цепи обратной связи сдвига по фазе нет, то и активная и ёмкостная составляющие входного соп­ротивления возрастают одинаково в (1 + βК_u) раз:

R_вx.oc = R_вх (1+βК_u), (1.31)

Увеличение ёмкостной составляющей входного сопротивления эквивалентно уменьшению входной ёмкости в (1+ βК_u) раз:

С_вх.ос=С_вх/(1+βК_u). (1.32)

Параллельная обратная связь по напряжению уменьшает входное сопротивление усилителя. Это происходит потому, что соп­ротивление обратной связи шунтирует входное сопротивление усили­теля.

Изменение входной ёмкости при параллельной отрицательной об­ратной связи. Если обратная связь осуществляется через конденса­тор, то она увеличивает входную ёмкость, а если через резистор, изменяет входную ёмкость.

Аналогично этому последовательная отрицательная обратная связь по току увеличивает входное сопротивление усилителя, охва­ченного обратной связью, а параллельная - уменьшает его.

При всех видах отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя зависит от коэффициента усиления К_u, а следова­тельно, и от сопротивления нагрузки R_н и остается нестабильным.

Во многих усилительных устройствах требуется обеспечить ста­бильное входное сопротивление, не зависящее от коэффициента усиления К_u и сопротивления нагрузки R_н. Это достигается примене­нием смешанной (комбинированной) отрицательной связью, т.е. пос­ледовательно-параллельной. Подбирая коэффициент передачи цепей обратной связи, можно получить заданное стабильное входное сопро­тивление.

Изменение выходного сопротивления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, определяется способом снятия сигнала с выхода усилителя и не зави­сит от способа введения её во входную цепь усилителя.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя и увеличивает выходную ёмкость:

R_вых.ос.=R_вых/(1+βК_u); С_вых.ос=С_вых/(1+βК_u). (1.33)

Уменьшение выходного сопротивления усилителя при отрицательной обратной связи по напряжению объясняется тем, что при возрастании выходного напряжения усилителя увеличивается напряже­ние обратной связи. В результате этого напряжение на входе усилителя, равное разности U - U_oc, уменьшается, вызывая уменьшения U_вых, что эквивалентно снижению выходного сопротивления.

Аналогично действие оказывает и параллельная отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя и уменьшает выходную ёмкость. Такие же изменения вносит и параллельная отрицательная обратная связь по току.

Поэтому с целью уменьшить зависимость выходного сопротивления от нестабильности параметров усилителя применяют смешанную отрицательную обратную связь - по току и напряжению.