Исследование схемы усилителя с отрицательной обратной связью: Методические указания к лабораторной работе по курсам «Электронные приборы» и «Электроника»

обратной связи на основные параметры усилителя низкой частоты.

2. Краткие сведения из теории.

Отрицательной обратной связью в усилителях называется такая связь между выходом  входом усилителя, при которой часть переменного напряжения, получаемого на выходе усилителя, подается на вход со сдвигом по фазе на 180⁰ относительно переменного напряжения, поданного нам вход усилителя.

По способу получения сигнала обратной связи различают обратную связь по напряжению, когда напряжение обратной связи U_о.с пропорционально напряжению на выходе (рис.1,а), обратную связь по току, когда напряжение обратной связи пропорционально току через нагрузку I_вых = I_н (рис.1,б).

Способы подачи отрицательной обратной связи.

В обратной связи по напряжению U_о.с = β U_вых , где β – коэффициент цепи обратной связи, показывающий какая часть выходного напряжения подается на вход усилителя. В обратной связи по току

U_о.с = R_о.с I_вых ,  R_о.с - сопротивление цепи обратной связи,

I_вых = I_э. Тогда β = I_э R_о.с/ U_вых – коэффициент обратной связи по току

Рассмотрим влияние отрицательной связи на коэффициент усиления усилителя. При отрицательной обратной связи для входной цепи усилителя (рис.1,б) можно составить уравнение

U₁ = U_вх - U_о.с.                      (2.1)

С учетом равенства U_о.с = β U_вых  выражение (2.1) можно переписать в виде

U_вх = U₁  + β U_вых .                    (2.2)

Очевидно, для усилителя без обратной связи U_вх = U₁, поэтому коэффициент усиления без обратной связи

K =  U_вых / U₁ .                             (2.3)

Учитывая (2.3), запишем выражение для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:

К_о.с = U_вых/ U_вх = U_вых/( U₁+ β U_вых).       (2.4)

Разделив в последнем выражении числитель и знаменатель на U_1, получим

                   К_о.с = К/(1+ βК).                        (2.5)

Из этой формулы следует, что введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в 1 + βК раз. Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения отрицательной  обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя:

- повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;

- снижается уровень нелинейных искажений;

- увеличение входного и незначительного  увеличения выходного сопротивления усилителя при отрицательной обратной связи по току.

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение :

δК_ос =ΔК_ос/К_ос.

Приращение ΔК_ос для усилителя с отрицательной обратной связью

                                                ΔК

                                       ΔК_ос  =   ( 1 + βК)²

  Тогда, относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью

                           ΔК/К

  δК_ос =

                                                                             1+ βК    .

 Отсюда видно, что всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием отрицательной обратной связи в 1 +  βК раз.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления К , в том числе связанных с неравномерностью частотной характеристики. Поэтому в усилителе с отрицательной обратной связью расширяют полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот, умешают частотные искажения.

Введение обратной связи увеличивает входное сопротивление усилителя. Входное сопротивление усилителя с отрицательной обратной связью можно определить, если составить уравнение, исходя из выражения (2.4) и учитывая, что U₁ = R_вх  I_вх  , U_вх  = R_{вх. ос} I_вх  . Принимая также во внимание, U_вых  = К U₁, уравнение (2.4) можно записать в виде

R_{вх. ос} I_вх   = R_вх  (1+ βК) I_{вх ,}

Таким образом, входное сопротивление усилителя за счет введения отрицательной обратной связи увеличивается в 1 + βК раз:

R_{вх. ос} = R_вх  (1+ βК).

Для оценки свойств усилителя на разных частотах используют амплитудно-частотную  К_u = f (ƒ)  характеристику (рис. 2). Эта характеристика зависит от нелинейных элементов схемы усилителя что, приводит к появлению частотных искажений. Коэффициент усиления на низких частотах уменьшается из-за разделительных конденсаторов, включенных последовательно прохождению усиливаемого сигнала, а на верхних  частотах начинают проявляться паразитные емкости монтажа схемы усилителя и межэлектродные емкости транзистора, которые включены параллельно прохождению сигнала, что также приводит к снижению