Влияние отрицательной обратной связи на параметры усилителей

Отрицательная обратная связь (ООС) влияет на электрические свойства усилителя. Под действием ООС изменяется коэффициент усиления усилителя и повышается его стабильность работы, изменяются входное и выходное сопротивления, уменьшаются нелинейные искажения, собственные помехи, расширяется динамический диапазон, уменьшаются частотные, фазовые и переходные искажения.

Отрицательная обратная связь в усилителях может быть различных видов в зависимости от принципа её действия и способа подачи с выхода на вход усилителя.

Различают следующие виды ООС: последовательная по напряжению, последовательная по току, параллельная по напряжению, параллельная по току, смешанная (комбинированная) обратная связь.

Комбинированная ООС в практических схемах не применяется в виду сложности настройки и противоположного действия ОС по току и ОС по напряжению.

Последовательная ООС по напряжению. При последовательной обратной связи по напряжению с сопротивления нагрузки усилителя снимается часть выходного напряжения U_OC, которое во входной цепи алгебраически складывается с U_ВХ. На рис.6 приведена структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению.

К_U

АЧХ без обратной связи

АЧХ с ООС

f

Рис.6. Рис.7

Напряжение обратной связи U_OC = βU_ВЫХ, где β = R2 / (R1 + R2) ≈ R2 / R1 (обычно R1 ≫ R2). Во входной цепи усилителя действует напряжение, равное U_ВХ ± U_ОС.

Последовательная ОС по напряжению влияет на коэффициент усиления по напряжению. Для усилителя, охваченного обратной связью,

К_U.ОС = U_ВЫХ / (U_BX ± U_OC) = U_ВЫХ / [U_BX (1 ± βK_U],

но для усилителя без обратной связи К_U = U_BЫX / U_BX, поэтому после проведения преобразования для ООС можно записать

K_U.OC = K_U / (1 + βK_U). (1)

Из формулы (1) следует; что при последовательной ООС по напряжению стабилизируется величина K_U.OC. Так, например, если при βK_U =100 значение K_U за счёт каких-либо причин возросло на 50 %, то K_U.OC при этом увеличится примерно лишь на 0,2 %.

Величину А = l + βK_U называют глубиной обратной связи. Из формулы А следует, что глубина ООС возрастает при увеличении β и K_U. При глубокой ООС (А > 10) удаётся практически полностью исключить влияние параметров транзистора и всего усилителя (в частности, K_U) на его K_U.OC. Также не будут влиять изменение температуры, радиационное воздействие, разброс параметров, старение и др. Таким образом, введение глубокой последовательной ООС по напряжению обеспечивает стабильность усиления по напряжению.

Улучшение стабильности коэффициента усиления с помощью ООС широко используется для расширения АЧХ усилителя. На рис.7 приведена АЧХ для усилителя без ОС и АЧХ для усилителя с ООС. Таким образом, наличие ООС уменьшает частотные искажения, т.е. снижает значения коэффициента частотных искажений M.

С помощью ООС удаётся уменьшить нелинейные искажения, т.е. уменьшить коэффициент гармоник К_Г, а также влияние помех в усилителе. Поскольку с увеличением глубины обратной связи А будет уменьшаться напряжение управления усилителем, то его работа станет осуществляться на меньшем участке ВАХ усилительного элемента, например, транзистора. Уменьшение рабочих размахов токов и напряжений на участках ВАХ приведёт к уменьшению коэффициентов гармоник. С некоторым приближением можно считать, что ООС обеспечивает работу усилителя на участках ВАХ с малой нелинейностью. Для коэффициента нелинейных искажений усилителя, охваченного ООС, можно записать: К_Г.ОС = K_Г /А. Это обстоятельство в ряде случаев оказывает решающее значение, особенно для выходных каскадов усилителя.

Входное сопротивление усилителя с ООС R_ВХ.ОС определяется способом подачи сигналов обратной связи во входную цепь. При последовательной ООС по напряжению R_ВХ.ОС = [U_BX (1 ± βK_U] / I_ВХ = R_ВХ А.

Из формулы R_ВХ.ОС следует, что последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя в А раз. Таким образом, чем глубже рассматриваемая здесь ООС, тем больше R_ВХ.ОС.

Выходное сопротивление усилителя с ООС R_ВЫХ.ОС определяется способом снятия сигнала обратной связи с выхода устройства. При последовательной ООС по напряжению U_BЫX усилителя меньше зависит от тока нагрузки, что соответствует уменьшению его выходного сопротивления. Для рассматриваемого вида ООС можно записать R_ВЫХ.ОС ≈ R_ВЫХ / А, т.е. последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление в А раз. Таким образом, чем глубже ООС, тем меньше R_ВЫХ.ОС. Это обстоятельство имеет особо важное значение в усилителях напряжения, поскольку позволяет значительно снизить зависимость выходного напряжения от R_Н.

Выводы: последовательная ООС по напряжению уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по напряжению K_U, снижает как частотные (уменьшает М), так и нелинейные искажения (уменьшает К_Г), повышает входное R_ВХ сопротивление и уменьшает выходное R_ВЫХ сопротивление усилителя.

Последовательная ООС по току

При последовательной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор R_OC, падение напря­жения на котором U_OC пропорционально выходному току I_ВЫХ. Во входной цепи усилителя это U_OC алгебраически складывается с входным напряжением U_ВХ.

На рис.8 приведена структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току. Здесь U_ОС = I_ВЫХ R_ОС и β ≈ R_OC / R_H.

Поскольку во входной цепи усилителя алгебраически складываются напряжения как для последовательной ООС по напряжению, так и для последовательной ООС по току, то формула (1) является общей для любой последовательной ООС.

Рис.8 При глубокой ООС по току формулу (1) можно преобразовать к следующему виду: K_U.OC = 1 / β = R_Н / R_OC. Из этой формулы следует вывод о стабильности K_U.OC, но этот вывод справедлив лишь при R_H = const. Таким образом, внешние воздействия, процессы старения, разброс параметров транзисторов и т.д. не оказывают существенного влияния на K_U.OC усилителя с глубокой последовательной ООС по току. Однако такой усилитель весьма чувствителен к изменению сопротивления нагрузки R_Н. Следовательно, усилитель с ООС по току рекомендуется применять в основном при постоянной нагрузке.

Последовательная ООС по току уменьшает частотные искажения (расширяет полосу пропускания АЧХ) и уменьшает нелинейные искажения усилителя. Введение ООС снижает также влияние помех и наводок, проникающих в усилитель.

Входное сопротивление усилителя с ООС, как отмечалось выше, определяется способом подачи сигналов во входную цепь. Поскольку и в данном случае используется последовательная ООС, то R_ВХ.ОС = [U_BX (1 ± βK_U] / I_ВХ = R_ВХ А.

Для усилителя, охваченного ООС по току, R_ВЫХ.ОС = R_BЫХ + R_OC (K_U +1), откуда следует, что выходное сопротивление возрастает. Таким образом, рассматриваемая ООС приводит к увеличению R_ВЫХ.ОС, причём тем в большей степени, чем глубже обратная связь.

Выводы: последовательная ООС по току уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по напряжению K_U при постоянной нагрузке R_Н, снижает искажения (уменьшает К_Г и М), повышает входное R_BХ и выходное R_BЫХ сопротивления усилителя.

Усилители с последовательной ООС. Схемы усилительных каскадов, в которых использовалась последовательная ООС были рассмотрены ранее.

В эмиттерном (см. рис.9,а), истоковом (см. рис.9,б) и катодном повторителях имеет место 100% -ная последовательная ООС по напряжению.

а) б)

Рис.9 Схемы усилителей с последовательной ООС по напряжению: а – эмиттерный повторитель (схема ОК), б – истоковый повторитель (схема ОИ)

В эмиттерном повторителе входное напряжение прикладывается между базой транзистора и общим проводом, а выходное напряжение снимается между эмиттером и общим проводом. Таким образом, к эмиттерному переходу транзистора приложено управляющее напряжение, равное U_BX – U_BЫX.

Так как во входной цепи происходит алгебраическое сложение напряжений, то данная обратная связь является последовательной. Сигнал обратной связи снимается с нагрузки (с выхода усилителя) и пропорционален U_BЫX, следовательно, такая обратная связь является связью по напряжению.

Поскольку напряжение обратной связи U_OC составляет не часть, а всё U_BЫX, то обратная связь является 100% -ной. Во входной цепи происходит вычитание амплитуд напряжений (напряжение входного сигнала на базе и напряжение сигнала обратной связи на эмиттере находятся в фазе), т.е. уменьшается управляющий сигнал между базой и эмиттером транзистора, поэтому связь оказывается отрицательной.

Для определения способа снятия сигнала обратной связи с выхода усилителя используется метод короткого замыкания (КЗ) нагрузки. Если при (мысленном) замыкании нагрузки обратная связь исчезает, то эта связь по напряжению, а если не исчезает (даже несколько возрастает), то эта связь по току.

В реальном усилителе, для использования этого метода, под нагрузкой следует понимать резистор, с которого снимается выходной сигнал. Для рассматриваемого каскада ОК – эмиттерного повторителя, таким резистором является R_Э. В эмиттерном (или истоковом) повторителе замыкание R_Э (или R_И) приводит к исчезновению U_ВЫХ, которое и является напряжением U_ОС. Таким образом, при КЗ нагрузки обратная связь исчезает, следовательно, в эмиттерном (истоковом) повторителе имеет место обратная связь по напряжению.

Эмиттерный повторитель, т.е. каскад ОК, имеет К_U.ОС < 1, малые искажения, большое входное R_BX.OC и малое выходное R_BЫX.OC сопротивления. Малый К_U.ОС и малые искажения получены за счёт 100% -ной ООС, большое R_BX.OC – за счёт того, что ООС последовательная, а малое R_BЫX.OC – за счёт того, что ООС по напряжению. Тоже самое можно повторить и для каскада ОС – истокового повторителя.

В выходных каскадах усилителей желательно использовать ООС по напряже­нию не только потому, что она снижает R_BЫX.OC, но и позволяет обеспечить стабильность К_U.ОС при изменении R_H. Такими каскадами являются усилительные каскады ОК и ОС.

Схемы усилители с последовательной ООС по току приведены на рис.10.

Рассуждая аналогично анализу каскада ОК, нетрудно показать, что рассматриваемая обратная связь является последовательной ООС (на эмиттере или истоке присутствует напряжение сигнала обратной связи той же полярности, что и U_ВХ на базе или затворе). Однако здесь уже будет ООС по току, что можно доказать с помощью метода КЗ нагрузки.

а) б) в)

Рис.10. Схемы усилителей с последовательной ООС по току: а – усилитель по схеме с ОЭ,

б – усилитель по схеме с ОИ, в – усилитель многокаскадный

Так, при (мысленном) замыкании резистора нагрузки – резистора R_K, с которого здесь снимается выходной сигнал, обратная связь не исчезает (а даже несколько возрастает), следовательно, эта связь по току. В том, что в рассматриваемом каскаде имеет место обратная связь по току, можно убедиться, обратив внимание на то, что сигнал ООС снимается со специального, дополнительного резистора (в данном случае с R_Э или R_И ).

На рис.10,в приведена схема трёхкаскадного усилителя с непосредственной связью.

Первый каскад по схеме с ОЭ выполнен на биполярном транзисторе Т1, в нем имеет место местная последовательная ООС по току, создаваемая резистором R_Э1.

Второй каскад по схеме с ОЭ, выполнен на транзисторе Т2, в нем используется местная ООС по току, создаваемая резистором R_Э2.

Третий каскад по схеме с ОК (эмиттерный повторитель), выполнен на транзисторе Т3, в нем применяется местная 100% -ная последовательная ООС по напряжению, создаваемая резистором R_Э3.

Помимо местных ООС в усилителе используется общая обратная связь, создаваемая цепью резистора R_ОС, соединяющей выход усилителя с эмиттером транзистора Т1.

Для определения знака обратной связи – отрицательная или положительная, на рис.10,в изображены полярности полуволн сигналов во всех существенных точках схемы.

Каскады с последовательной ООС по току применяются при постоянной нагрузке R_Н = const. Обычно к таким усилителям относятся входные или промежуточные каскады в многокаскадных усилителях.

Параллельная ООС по напряжению.

При параллельной обратной связи по напряжению с сопротивления нагрузки снимается выходное напряжение, которое во входной цепи образует ток обратной связи, протекающий через специальный резистор R_oc.

На рис.11 приведена структурная схема усилителя с параллельной ООС по напряжению.

Хотя во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи, при анализе усилителя с параллельной ООС по напряжению часто используют коэффициент обратной связи по напряжению β.

При этом необходимо учитывать шунтирующее влияние входной цепи усилителя, поскольку в данном случае R_BX мало. Поэтому β можно представить в следующем виде: β = U_OC / U_ВЫХ = (R_Г || R_BX) / (R_OC + R_Г || R_BX).

Выделение напряжения U_OC во входной цепи усилителя происходит на параллельно - соединённых сопротивлениях R_Г || R_BX.

Входное сопротивление при параллель­ной ООС определяется по формуле R_ВХ.ОС = R_ВХ / А . За счёт малого R_BX на внутреннем сопротивлении источника сигнала R_Г будет теряться солидная доля Е_Г. В результате к входу усилителя прикладывается напряжение

Рис.11 U_BX = E_Г[(R_ВХ || R_ОС) / (R_Г + R_ВХ || R_ОС)] = E_Г γ_OC.

После проведения преобразований можно получить коэффициент усиления по напряжению при глубокой параллельной ООС по напряжению:

К_U.ОС = γ_OC К_U / (1 + β К_U) = γ_OC К_U /А ≈ R_ОС / R_Г.

Если при последовательной ООС по току К_U.ОС стабилен при R_H = const, то в данном случае при параллельной ООС по напряжению К_U.ОС стабилен при R_Г = const. Таким образом, при глубокой параллельной ООС по напряжению можно исключить влияние внешних факторов на величину К_U.ОС, уменьшить линейные и нелинейные искажения.

Однако такой усилитель совершенно не подходит по своим свойствам для входного каскада многокаскадного усилителя, в частности, из-за его высокой чувствительности к изменению R_Г. Усилители с параллельной ООС по напряжению рекомендуется использовать в качестве промежуточных и выходных каскадов.

Это тем более справедливо, поскольку при ООС по напряжению снижается R_ВЫХ.ОС. Величину R_ВЫХ.ОСдля рассматриваемой ООС можно приближённо рассчитать по формуле R_ВЫХ.ОС = R_ВЫХ / А.

Выводы: параллельная ООС по напряжению уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по напряжению К_U при постоянном сопротивлении источника сигнала R_Г, снижает искажения (уменьшает К_Г и М), уменьшает входное R_ВХ и выходное R_ВЫХ сопротивления усилителя.

Параллельная ООС по току. При параллельной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор R, падение напряжения на котором пропорционально выходному току. Это напряжение образует во входной цепи ток обратной связи I_ОС, протекающий через специальный дополнительный резистор R_OC.

Во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение I_ОС и тока входного сигнала I_ВХ.

На рис.12 приведена структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по току.

Здесь U_OC = I_BЫXR, а коэффициент обратной связи по току β_i = I_ОС / I_ВЫХ ≈ R / R_ОС. Глубина ООС по току A_i =1 + β_i K_i.

Параллельная ООС по току применяется в основном в усилителях тока. Её воздействие на коэффициент усиления по току К_iОС = К_i / (1 + β_i K_i) = К_i / A_i, где К_i –коэффициент усиления по току усилителя без ООС.

Точно так же, как при ООС по напряжению стабилизируется К_U.ОС, при параллельной ООС по току стабилизуется К_iОС. В этом случае значительно снижается влияние и внешних факторов, и разброса параметров на величину К_iОС.

При глубокой параллельной ООС по току К_iОС

преобразуется к следующему виду: К_iОС = 1/ β_i = R_ОС/R,

Рис.12 т.е. коэффициент усиления по току будет определяться лишь отношением двух резисторов. Введение параллельной ООС по току уменьшает как линейные, так и нелинейные искажения токовых сигналов.

Так как входное сопротивление усилителя в ООС определяется лишь способом подачи сигнала обратной связи во входную цепь, то для параллельной ООС можно записать: R_ВХ.ОС ≈ R_ВХ/A_i. Здесь во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи. Таким образом, параллельная ООС уменьшает R_ВХ.ОС причём величина R_ВХ.ОС обратно пропорциональна глубине ООС по току A_i.

Как было выше показано, ООС по току способствует увеличению выходного сопротивления усилителя R_ВЫХ.ОС. Для параллельной ООС по току R_ВЫХ.ОСможет быть рассчитано по следующей приближенной формуле: R_ВЫХ.ОС ≈ R_ВЫХA_i.

Выводы: параллельная ООС по току уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по току К_i, снижает искажения токовых сигналов (уменьшает коэффициенты частотных М и нелинейных К_Г искажений), уменьшает входное R_ВХ и увеличивает выходное R_ВЫХ сопротивления усилителя.

Усилители с параллельной ООС. Схемы усилительных каскадов, в которых используется параллельная ООС представлены на рис.13.

а) б)

Рис.13. Схемы усилителей с параллельной ООС: а – по току, б – по напряжению

Как уже отмечалось выше, параллельная ООС по току довольно редко используется на практике. На рис. 13,а приведена принципиальная схема усилителя с параллельной ООС по току. Как в первом, так и во втором каскаде с помощью резисторов R_Э1 и R_Э2 созданы местные последовательные ООС по току. Кроме того, в усилителе используется общая параллельная ООС по току, созданная цепью резистора R_ОС, соединяющей эмиттер транзистора Т2 со входом усилителя.

В рассматриваемом усилителе как входной сигнал, так и сигнал ООС приложены к одной точке схемы – к базе транзистора Т1. В результате во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение токов, следовательно, данная обратная связь является параллельной. Так как сигнал обратной связи пропорционален выходному току и снимается со специального сопротивления в выходной цепи усилителя R_Э2, то данная обратная связь является связью по току (что можно доказать и с помощью метода КЗ нагрузки).

Для того чтобы убедиться в том, что общая обратная связь является отрицательной, полезно изобразить полярности полуволн сигналов во всех существенных точках схемы. Нетрудно убедиться (см. рис. 13,а), что во входной цепи усилителя полярности полуволн входного сигнала и обратной связи находятся в противофазе и вычитаются. Отсюда и следует, что рассматриваемая общая параллельная обратная связь по току является ООС.

Рассматриваемый усилитель (рис.13,а) имеет малое входное (поскольку ООС параллельная) и большое выходное (поскольку ООС по току) сопротивления, за счёт чего он особенно пригоден в качестве усилителя тока.

Параллельная ООС по напряжению применяется чаще, чем параллельная ООС по току. На рис.13,б приведена принципиальная схема усилительного каскада по схеме с ОЭ с параллельной ООС по напряжению, которая создаётся путём включения резистора R₁ между коллектором и базой транзистора. Цепь R_ЭС_Эобразует в рас­сматриваемом каскаде последовательную ООС по постоянному току, стабилизирующую режим покоя.

Сигнал с коллектора транзистора через резистор R₁в противофазе с входным сигналом поступает, во входную цепь каскада, причём оба сигнала подключены кодной точке устройства (базе транзистора), следовательно, происходит вычитание токов, что и определяет обратную связь как параллельную ООС. Так как сигнал обратной связи снимается с выхода каскада, т.е. с нагрузки (и исчезает при её КЗ), то данная ООС является связью по напряжению.

Рассматриваемый усилительный каскад имеет малое входное (поскольку ООС параллельная) и выходное (поскольку ООС по напряжению) сопротивления. Он применяется в качестве промежуточного в многокаскадном усилителе.

Как показывают приведённые выше примеры, в усилительных устройствах часто одновременно используются различные цепи ООС. Число возможных комбинаций велико и иногда их трудно классифицировать. Это, прежде всего, относится к многокаскадным усилителям, но может наблюдаться и в одиночных каскадах. Самое широкое применение ООС находит в полупроводниковых линейных усилителях, выполненных в виде интегральных микросхем.

[1]Пермаллой – сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и никеля (45-82 % Ni).

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 2562; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!