Обратные связи в усилителях. Обратная связь в электронных схемах

Обратные связи в усилителях.

1.3.1. Обратная связь в электронных схемах.

1.3.1.1 Общее определение обратной связи.

Обратной связью называют такое взаимодействие напряжений или токов в цепях электронной схемы, при котором часть энергии из выходной цепи передается во входную цепь. Структурная схема электронного устройства с обратной связью включает основной четырехполюсник  усилителя и пассивную цепь  обратной связи (ОС), соединяющую выход усилителя с его входом (рис. 1.3.1). Цепь ОС вместе с усилителем, к которому она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлей обратной связи. Связь может быть однопетлевой или многопетлевой. В электронных устройствах различают внутреннюю, внешнюю и паразитную обратные связи. Внутренняя ОС имеется во всех активных электронных приборах и зависит от их физических свойств. Внешняя ОС предполагает наличие специальных цепей. Паразитная ОС обусловлена паразитными емкостями, индуктивными и другими связями, создающими каналы передачи энергии сигнала с выхода на вход. Все виды ОС могут сильно влиять на характеристики электронного устройства, причем часто нежелательным образом. Обычно в реальных схемах невозможно управлять внутренними или паразитными обратными связями, поэтому их стремятся уменьшить. Внешняя ОС специально вводится в схему для улучшения отдельных характеристик усилителя.

Рис 1.3.1. Структурная схема усилителя с ОС 

Воздействие Ос может привести либо к увеличению, либо к уменьшению сигнала на входе усилителя. В первом случае обратную связь называют положительной (ПОС), во втором — отрицательной (ООС).

С физической точки зрения введение ОС означает, что к напряжению , которое создается на выходе усилителя в отсутствие ОС, добавляется напряжение, появившееся в результате усиления сигнала, поступающего на вход усилителя со стороны цепи ОС. При этом положительная ОС увеличивает внешнее воздействие, вследствие чего любой малый входной сигнал усилителя теоретически должен вызвать появление выходного сигнала, значение которого стремится к бесконечности. В реальном усилителе такое усиление, естественно, не возможно из-за ограничений по напряжению питания, наступающих при определенном уровне входного сигнала. С уменьшением входного напряжения ПОС снижает выходное напряжение схемы до нуля. В результате в усилителе появляются незатухающие автоколебания выходного напряжения, что называют возбуждением усилителя. Применение отрицательной ОС, наоборот, уменьшает входной сигнал, что эквивалентно снижению коэффициента усиления прямой цепи системы. Но при этом достигается улучшение ряда характеристик усилителя. Например, возрастает стабильность его коэффициента усиления, выравнивается частотная характеристика, расширяется полоса пропускания, уменьшаются искажения, изменяются входное и выходное сопротивления усилителя. Поэтому ООС нашла широкое применение в усилительных устройствах.

  а)  б)

  в)   г)

Рис 1.3.2. Структурные схемы обратных связей в усилителе:

а) последовательная по напряжению; б) последовательная по току;

в) параллельная по напряжению; г) параллельная по току

 В зависимости от схемы присоединения цепи ОС к входу усилителя различают последовательную и параллельную ОС, а к выходу — обратную связь по напряжению или по току. Соответственно может быть четыре основных варианта схем усилителей с ОС (рис 1.3.2). Возможна и комбинированная ОС, например, одновременно как по напряжению, так и по току. В схемной реализации усилителя возможна ОС как по постоянному, так и по переменному току. В сложных схемах иногда трудно определить вид ОС. Для этого можно мысленно сначала оборвать нагрузочную цепь, а потом закоротить нагрузку усилителя. Если при обрыве цепи обратная связь исчезает, то в схеме имеется ОС по току. Если обратная связь нарушается при замыкании нагрузки, то в схеме действует ОС по напряжению. Аналогично для входных цепей схемы можно заключить, что если напряжение ОС не подается на вход усилителя при обрыве цепи источника сигнала, то в схеме имеется последовательная обратная связь. Если напряжение обратной связи не подается на вход при замыкании цепи источника сигнала, в схеме имеется параллельная ОС. Примеры схемной реализации обратных связей в усилителях приведены на рис 1.3.3, а, б.

  а)  б)

Рис. 1.3.3. Принципиальные схемы усилителей с ООС:

а) параллельная по напряжению; б) последовательная по току

 Схема усилителя с параллельной ООС по напряжению для переменной и постоянной составляющих сигнала показана на рис. 1.3.3, а. Эта ООС осуществляется включением резистора R₁ между коллектором и базой транзистора. Схема отличается высокой стабильностью коэффициента усиления и режима по постоянному току. Такую схему называют схемой с коллекторной стабилизацией рабочей точки транзистора. В усилителе с последовательной ООС по переменному и постоянному току обратная связь создается за счет включения в эмиттерную цепь резистора R_э (рис. 1.3.3, б). В схеме переменное напряжение на эмиттере определяется соотношением U_э~=R_эI_э~, а его полярность совпадает с полярностью входного напряжения. Поэтому напряжение в транзисторе между базой и эмиттером является разностью напряжений U_вх - U_э~. Значение U_э~ определяется выходным током каскада, следовательно, в схеме имеется отрицательная обратная связь по току.

 1.3.1.2 Виды обратной связи

Обратной связью в усилителях называется процесс передачи некоторой части усиленного сигнала с выхода отдельного каскада или всего усилителя обратно на их вход. Этот процесс осуществляется при помощи цепей обратной связи, причем петля (или пассивный четырехполюсник) обратной связи может охватывать один или несколько усилительных каскадов. В многокаскадном усилителе обычно применяется несколько петель обратной связи, охватывающих как выходной (оконечный) каскад УМ, так и некоторые предварительные каскады.