Обратные связи в усилителях (Основные виды обратных связей. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью. Входные сопротивления усилителя с обратной связью. Выходное сопротивление усилителя с ОС. Устойчивость усилителей с ОС (Критерий Найквиста))

Глава 2. Обратные связи в усилителях.

Различают внутренние, паразитные и внешние обратные связи. Внутренние ОС определяются параметрами обратной передачи g₁₂ или h₁₂ и свойственны в основном усилителям на биполярных транзисторах. Паразитными ОС называют связи, возникающие из-за наличия проходных емкостей ламп и транзисторов С_са, С_зс, С_бк и монтажных емкостей между выходом и входом усилителя. К внешним относят ОС, создаваемые в усилителе специально для изменения его свойств. Примеры внешних ОС уже встречались при рассмотрении схем термостабилизации режима транзисторов.

Структурная схема усилителя с ОС имеет вид:

Рис.1

Здесь – усилитель без ОС, – цепь обратной связи. Предполагаем, что усилитель связи однонаправлен (g₁₂=0). Цепь ОС, как правило, линейна и для нее g₁₂≠0. Но обычно сигнал, проникающий по цепи ОС от выхода на выход усилителя мал, и его не учитывают. Поэтому цепь тоже можно считать однонаправленной. 

§ 1. Основные виды обратных связей.

По способу сложения входного сигнала и сигнала обратной связи на входе усилителя обратные связи делят на последовательные и параллельные. По способу подачи сигнала с выхода усилителя в цепь ОС различают ОС по напряжению и по току. Комбинации этих способов дают 4 основных вида ОС:

1.   Последовательная ОС по напряжению (рис.2)

                                       Рис.2

Здесь складываются напряжения:                                                                                                                              (1),

а напряжения ОС пропорциональны выходному:   (2), причем не зависит от

2.  Последовательная обратная связь по току (рис.3)

Рис.3

В отличие от предыдущего случая, в этой схеме  пропорционально входному току:  (3). Учитывая, что , можно формально записать и для этой схемы соотношение                                                                                                                              (2),

выразив  через g: . Однако коэффициент  в данном случае зависит от .

3.  Параллельная обратная связь по напряжению (рис.4)

                                       Рис.4

В данном случае складываются токи : , причем ~ .

4.   Параллельная обратная связь по току (рис.5)

Здесь ~.  Кроме этих четырех основных видов ОС применяются и их комбинации.

§ 2. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью.

Представим структурную схему усилителя в виде, объединяющем все виды ОС (рис.6)

	1’     1		2

	1’     1		2

 

                                                               Рис.6

Предположим, что усилитель  имеет бесконечно большое входное сопротивление. Если реально это не так, будем считать сопротивление переменным в сумматоре . При таком предположении ток  как при замкнутых так и при разомкнутых сочках  1’ и 1.

Пусть ключ разомкнут, напряжения  известны (например, заданы источником э.д.с.), усилитель работает в линейном режиме. Тогда по принципу суперпозиции можно написать: (4), где

Коэффициент  определяет передачу сигнала от источника  на вход усилителя . Коэффициент  характеризует передачу сигнала через усилитель; цепь ОС и сумматор обратно к входу усилителя и носит название коэффициента петлевого усиления. Коэффициент  можно представить в виде:

                                                                                                                              (5),

где

при разомкнутой цепи обратной связи.

Замкнем теперь ключ. При этом  и из (4) получаем:  (6).

Определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью:

                                                                                                                               (7).

Подставляя в (7) отногшение  из (6), получим:                                                                                                                               (8).

Это выражение является общим для всех видов ОС. В случае последовательности ОС (и по напряжению, и по току) оно упрощается, так как при этом . Действительно, в схемах рис.2 и 3 . При параллельной ОС . Нужно также отметить, что для схем рис.4 и 5 , т.к. цепь ОС шунтируется источником сигнала .

Положительная и отрицательная обратная связь.

Коэффициент петлевого усиления в общем случае является величиной комплексной. Представим его в показательной форме:

                                                                                                                      

Рассмотрим два случая, когда  становится вещественной величиной:

1.

                                                                                                             (10)

                                                                                                                                       

Рассматриваемый случай соответствует «положительной» ОС. При этом сигнал ОС  совпадает по фазе с напряжением , что приводит к увеличению амплитуды сигнала, поступающего на вход усилителя  и к увеличению . При . Это означает, что напряжение на входе усилителя существует и при , т.е. усилитель превращается в генератор сигналов – самовозбуждается.

2.

                                                                                                                                      (12)

                                                                                                                    

Это случай «отрицательной» ОС. Фаза сигнала ОС отличается на от фазы , уменьшается напряжение на входе усилителя и его коэффициент усиления.

Несмотря на снижение коэффициента усиления отрицательная ОС широко используется, так как она позволяет улучшить другие показатели усилителя. Дальше будем рассматривать в основном случай отрицательной обратной связи.