Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

1.2.4. Обратные связи. Понятие устойчивости

Обратной связью называют связь между цепями усилителя, посредством которой усиливаемый сигнал передается в направлении, обратном нормальному, т. е. не из предыдущих каскадов и цепей в последующие, а, наоборот, от конца усилителя к его началу (рис. 2.2.1).

Рис. 1.2.2. Усилитель с обратной связью. Схема электрическая структурная

Обратная связь может появиться в усилителе по трем причинам:

1) из-за физических свойств и устройства усилительных элементов, (внутренняя обратная связь);

2) из-за введения в схему специальных цепей (внешняя обратная связь);

3) вследствие паразитных емкостных, индуктивных и других связей, создающих пути для обратной передачи сигнала (паразитные обратные связи).

Все виды обратной связи (рис. 1.2.2) могут очень сильно изменять свойства усилителя. Как внутренними, так и паразитными связями нельзя управлять, и они нередко изменяют свойства усилителя в нежелательном направлении, например, приводят к самовозбуждению усилителя. Внешняя же обратная связь - легко управляема, и ее вводят для улучшения свойств усилителя: повышения стабильности коэффициента усиления, снижения искажений всех видов, уменьшения собственных помех и т.д.

Рис. 1.2.3. Виды обратной связи: а - однопетлевая; б - двухпетлевая с независимыми петлями; в -многопетлевая с местной петлей

Замкнутый контур, образуемый щелью обратной связи и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называют петлей обратной связи. Если в усилителе имеется только одна петля обратной связи, связь называют однопетлевой или одноканальной (рис.1.2.2, а), если петель несколько, обратную связь называют многопетлевой или многоканальной (рис.1.2.2, б и в). Связь, охватывающую один каскад усилителя, нередко называют местной обратной связью (рис. 1.2.2, в).

Цепь обратной связи (ОС) можно присоединить к входу и выходу схемы разными способами. Если цепь ОС присоединить к выходу схемы параллельно нагрузке, то напряжение обратной связи будет пропорционально напряжению на нагрузке; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению (рис. 1.2.3, а). Если же цепь обратной связи присоединить к выходу устройства последовательно с нагрузкой, напряжение ОС связи будет пропорционально току в нагрузке, и обратную связь называют обратной связью по току (рис. 1.2.3, б). Если в схеме осуществлена комбинация обоих способов (рис. 1.2.3, в), связь называют комбинированной по выходу или смешанной по выходу обратной связью.

Рис. 1.2.4. Простейшие способы снятия обратной связи: а – по напряжению; б – по току; в – смешенная по выходу

Ко входу устройства цепь обратной связи также можно подключить тремя способами: последовательно с источником сигнала (рис. 1.2.4, а), параллельно ему (рис. 1.2.4, б) и смешанным способом (рис. 1.2.4, в); в первом случае связь называют последовательной обратной связью, во втором - параллельной обратной связью и в последнем - комбинированной по входу или смешанной по входу обратной связью.

Обратную связь называют положительной, если ее (напряжение находится точно в фазе с ЭДС источника сигнала, подводимой ко входу устройства, и складывается с последней, увеличивая таким образом напряжение сигнала на входе. Если же напряжение обратной связи находится точно в противофазе с ЭДС источника сигнала, а, следовательно, вычитается из нее, уменьшая сигнал на входе, обратную связь называют отрицательной. При сдвиге фаз между напряжением обратной связи и ЭДС источника сигнала, отличающимся от 0° и от 180°, обратную связь называют комплексной.

Для обобщенной структурной схемы усилителя с положительной обратной связью (рис.1.2.1) можно записать:

(1.2.11)

(1.2.12)

где - коэффициент передачи цепи обратной связи.

Отсюда

(1.2.13)

Полученное выражение показывает, что введение в усилитель положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. Если b_ос достигает значения то знаменатель в (1.2.13) обращается в ноль, что физически соответствует получению бесконечного коэффициента усиления. При дальнейшем увеличении становится отрицательным, а передаточная характеристика при этом перестает быть однозначной. Для отрицательной обратной связи (ООС)

(1.2.14)

тогда

(1.2.15)

Введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя.

Рис. 1.2.5. Простейшие способы введения обратной связи: последовательная (а), параллельная (б), смешанная по входу (в)

Если отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе от частоты не зависит (цепь обратной связи не содержит индуктивностей и емкостей), обратную связь называют частотно-независимой, если же указанное отношение напряжений от частоты зависит, связь называют частотно-зависимой.

1.2.5. Влияние цепи обратной связи на основные характеристики усилительного устройства

В реальных усилителях коэффициент усиления сильно зависит как от параметров используемых элементов, так и от условий эксплуатации: изменения температуры окружающей среды, изменение напряжения питания, старения элементов или их замены при ремонте и т.п. Введение ООС приводит к снижению коэффициента усиления (1.2.15), а введение ПОС – к его увеличению (1.2.14). Рассмотрим, как будет изменяться относительный коэффициент усиления для устройства без обратной связи и с ООС. Тогда согласно (1.2.15):

(1.2.16)

Предположим, что исходный коэффициент усиления получил приращение

(1.2.17)

(1.2.18)

тогда

(1.2.19)

или

( 1.2.20)

где и - относительные изменения коэффициента усиления усилителя с ООС и без нее.

Величину называют глубиной ООС. Таким образом, относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ООС в глубину ООС раз меньше, чем без нее.

Очевидно, что нестабильность коэффициента усиления усилителя с ООС будет зависеть от нестабильности коэффициента передачи самой цепи ООС b_ос .

(1.2.21)

(1.2.22)

(1.2.23)

где - относительное изменение коэффициента передачи цепи ООС. Знак минус в полученном выражении означает то, что увеличение ведет к снижению .

Считая исходную систему линейной, для суммарной нестабильности коэффициента усиления можно записать:

(1.2.24)

При глубоких ООС, т.е. при выполнении условия , нестабильность коэффициента передачи усилителя полностью определяется нестабильностью элементов его цепи ООС: .

По аналогии для относительного изменения коэффициента усиления усилителя с ПОС можно получить следующее выражение:

(1.2.25)

Полученное выражение показывает, что относительное изменение коэффициента передачи усилителя с ПОС при прочих равных условиях всегда больше, чем у исходного усилителя. При этом знак зависит от конкретного значения коэффициента передачи цепи ПОС.

Введение цепи ООС всегда расширяет полосу усиливаемых частот усилителя. Проиллюстрируем сказанное на примере усилителя, передаточная характеристика которого имеет вид:

(1.2.26)

2. Усилительные каскады на транзисторах

2.1. Принцип работы усилителя

Характерной особенностью современных электронных усилителей является многообразие схем, по которым они могут быть спроектированы. Однако среди этого многообразия можно выделить наиболее типичные схемы, содержащие элементы и цепи, которые чаще всего встречаются в усилительных устройствах независимо от их функционального назначения.

Современные усилители выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-технологическими особенностями. Схемные же построения принципиальных отличий не имеют. Наибольшее распространение получили каскады, использующие соответственно схемы включения транзистора с общим эмиттером(ОЭ). Реже используются схемы включения с общим коллектором(ОК) .Схемы включения с общей базой(ОБ) находят применение только в узком классе устройств, например во входных цепях радиоприемных устройств, работающих в диапазоне УКВ. Рассмотрение таких каскадов, в силу специфики построения, связанной с сильным влиянием на их свойства паразитных параметров реальной конструкции каскада, выходит за рамки настоящего курса.