89415

Обратная связь в усилителях

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину определяет эту выходную величину. При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала...

Русский

2015-05-12

225.23 KB

1 чел.

Обратная связь в усилителях.

Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС), которая и будет рассматриваться ниже. При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала.

Когда в 1928 г. была предпринята попытка запатентовать отрицательную обратную связь, то эксперты не увидели ее полезности и дали отрицательный ответ. И действительно, на первый взгляд, отрицательная обратная связь только уменьшает коэффициент усиления усилителя. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в электронике в частности, один недостаток того или иного решения может значительно перевешиваться его достоинствами. Отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает коэффициент усиления, но исключительно благотворно влияет на многие параметры и характеристики усилителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частот коэффициент усиления оказывается не зависящим от частоты и т. д.

2.2.1.  Классификация обратных связей в усилителях

Различают следующих 4 вида обратных связей в усилителе (рис. 2.9):

  1.  последовательная по напряжению (а);
  2.  параллельная по напряжению (б);
  3.  последовательная по току (в);
  4.  параллельная по току (г).


Рис. 2.9

На рис. 2.9 обозначено: К — коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи; B — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль — то это OC по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.

2.2.2. Анализ влияния отрицательной обратной связи на примере последовательной обратной связи по напряжению

Рассмотрим влияние ООС на примере усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению (рис. 2.10).

В структурную схему входит цепь прямой передачи и цепь обратной связи (цепь обратной передачи). Предполагается, что указанные цепи линейные. На усилитель с обратной связью подается внешний синусоидальный входной сигнал ивх1 а на цепь прямой передачи — сигнал ивх2. Цепь прямой передачи характеризуется комплексным ко-


эффициентом усиления по напряжению Ки (коэффициентом прямой передачи):

где Uвх2 , Uвых  -соответственно комплексные действующие значения напряжений ивх2 и ивых. Цепь обратной связи характеризуется комплексным

коэффициентом обратной связи β:

гдеUос — комплексное действующее значение напряжения обратной связи иос

Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. Этот коэффициент Киос определяется по формуле

где Uвх1комплексное действующее значение напряжения  ивх1.  Легко заметить, что

Поэтому

Таким образом,

Величину l+βКи называют глубиной обратной связи (коэффициентом грубости схемы), а величину βКи называют петлевым усилением. Если глубина обратной связи достаточно велика, то | βКи |»1 и

Отсюда можно сделать следующий очень важный вывод: если глубина отрицательной обратной связи достаточно велика, то коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью Киос, зависит только от свойств цепи обратной связи и не за висит от свойств цепи прямой передачи.

В цепи прямой передачи используются активные приборы (транзисторы, операционные усилители и т. д.), которые обычно не отличаются высокой стабильностью параметров. Из-за этого и коэффициент Ки является нестабильным. Но если используется глубокая отрицательная обратная связь и в цепи обратной связи применяются высокостабильные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и так далее), то общий коэффициент усиления Киос оказывается стабильным.

Даже если глубина обратной связи не настолько велика, что можно пренебрегать единицей в выражении

1 + βКи, отрицательная обратная связь, как можно показать, уменьшает нестабильность коэффициента Киос.

Важно уяснить, что сделанный вывод справедлив независимо от того, какие дестабилизирующие факторы влияют на изменение величины Ки (температура, уровень радиации и т. д.).

Частотные характеристики усилителя, охваченного обратной связью. Если рассуждать формально, то при наличии частотных характеристик для Ки и B частотные

характеристики для Киос оказываются однозначно определенными выражением

И тем не менее очень поучительно более детально рассмотреть вопрос влияния отрицательной обратной связи на частотные свойства усилителя. Пусть коэффициенты Ки и β являются вещественными. Тогда и коэффициент Киос — вещественный. Будем для этого случая использовать обозначения Ки, β и Киос . Пусть в некотором частотном диапазоне коэффициент Ки изменяется в пределах от 10000 до 1000 (на 90% по отношению к значению 10000), а коэффициент B является постоянным, β = 0,1. Тогда в соответствии с формулой для Киос окажется, что Киос будет изменяться в пределах от 9,99 до 9,9 (примерно на 1%). Таким образом, изменение коэффициента усиления после введения отрицательной обратной связи станет значительно меньшим.

Важно уяснить, что если все же необходимо повысить коэффициент усиления до 10000, то и в этом случае использование отрицательной обратной связи значительно улучшит стабильность.

Пусть для получения большого коэффициента усиления использованы 4 включенных последовательно описанных усилителя, охваченных отрицательной обратной связью. Тогда в рассматриваемом диапазоне частот общий коэффициент усиления будет изменяться в пределах от 9960 (9,99 • 9,99 • 9,99 • 9,99) до 9606 (9,9 • 9,9 • 9,9 • 9,9).

Изменение составит 3,6% ((9960-9606)/9960•100%). Это, очевидно, значительно меньше 90%.

В том диапазоне частот, в котором выполняется условие | βКи |»1, коэффициент Киос можно определить из выражения

| Киос | = 1/|β|

В первом приближении можно считать, что единицей можно пренебречь при условии, что

1 < |β Ки |.

Отсюда получаем | Ки | > 1/|β|

Пусть в качестве цепи прямой передачи используется рассмотренный выше операционный усилитель К140УД8, а в качестве цепи обратной связи — делитель напряжения,

причем β = β = 0,1 (рис. 2.11).

Легко заметить, что Uос=Uвых•0,1

Таким образом, для этой схемы действительно

В соответствии с полученным выше неравенством можно, в первом приближении, считать, что

| Киос | = 1/β=10 в том диапазоне частот, в котором | Ки | > 10.

Поэтому для определения частоты среза fcp ос усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в первом приближении достаточно провести горизонтальную линию на уровне | Ки | = 10 до пересечения с амплитудно-частотной характеристикой используемого операционного усилителя К140УД8. Из рис. 2.12 видно, что fcp ос=

=5 • IO5 Гц, это значительно больше частоты среза fcp операционного усилителя (fcp =10 Гц), не охваченного обратной связью. Характеристика, изображенная жирной линией, представляет собой в первом приближении амлитудно-частотную характеристику усилителя с отрицательной обратной связью, которая, естественно, оказывает благотворное воздействие и на фазочастотную характеристику.

Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. Обратимся к структурной схеме усилителя с последовательной отрицательной обратной связью (рис. 2.13).


Обозначим через Zвх входное комплексное сопротивление цепи прямой передачи:

где iex  -комплексное действующее значение тока iex.

Найдем входное комплексное сопротивление Zex ос  усилителя, охваченного обратной связью:

Получим

Таким образом,

Пусть коэффициенты Ки и B являются вещественными (Ки = Kuи β = β), тогда

Отсюда следует, что последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление по модулю. Практически всегда это является положительным фактором.

Выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. Обозначим через Zвых и Zвых ос соответственно выходное комплексное сопротивление цепи прямой передачи и выходное комплексное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. По определению

где ΔUвых, ΔIвых — приращения комплексных действующих значений соответственно напряжения ивых и тока ieых При этом предполагается, что обратная связь отключена (например, выход цепи обратной связи закорочен).

Также предполагается, что Uexl = const, а изменение величин Uвых и Iвых вызвано изменением сопротивления нагрузки.

По определению

но при этом предполагается, что обратная связь действует и что Uexl= const.

В этом случае причиной возникновения приращения ΔUвых. является не только падение напряжения на выходном сопротивлении Zeых, но и появление приращения

ΔUос комплексного действующего значения напряжения uос.

Следовательно,

Знаки «минус» использованы потому, что и увеличение тока ieых, и увеличение напряжения иос вызывают уменьшение напряжения  ивых.

Отсюда с учетом, что ΔUос =ΔUeыxβ, получим

В соответствии с этим

Пусть коэффициенты Кu и β являются вещественными. Тогда, очевидно, отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя. Очень часто это является положительным фактором.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78994. Космологический дискурс научного знания. Наука как часть ноосферы. Проблемы современной экологической этики 23.12 KB
  Понятие экологической этики Подъем этики окружающей среды был в первый День Земли в 1970 году когда сторонники защиты окружающей среды вынудили философов которые работали в области окружающей среды сгруппироваться чтобы сделать некоторые замечания об этике окружающей среды. Дискуссия началась в 1974 когда австралиец именуемый John Pssmore опубликовал книгу пол названием Ответственность человека за природу: экологические проблемы и западные традиции в которой он аргументировал точку зрения что сохранение окружающей среды и ее...
78995. Наука в контексте традиционалистского и техногенного цивилизационного развития. Футурологические аспекты научного знания 16.91 KB
  Понятие цивилизации впервые возникло в 18 веке во Франции для обозначения общества в котором господствует свобода равенство и братство. Традиционные цивилизации. Техногенные цивилизации. Особенности техногенной цивилизации: Ориентация на совершенствование техники производства.
78996. Научное знание в контексте глобальных проблем. Особенности развития науки в глобализующемся мире. Роль науки в преодолении современного кризиса 14.1 KB
  К глобальным проблемам современности относят экологические демографические проблемы войны и мира проблемы кризиса культуры проблемы терроризма. Это включает в себя медикобиологические проблемы указывающие риски для здоровья современного человека сокращение ареалов нищеты и бедности комплекс минеральносырьевых проблем проблемы энергетического кризиса проблемы прекращения гонки вооружения и предотвращения использования средств массового уничтожения. Глобальные экологические проблемы требуют от ученых и предпринимателей повышения...
78997. Философские проблемы науки, их сущность, специфика и типология. Историко-философские, онтологические, логико-методологические, аксиологические аспекты науки в их соотношении 18.15 KB
  Философские проблемы науки их сущность специфика и типология. Историкофилософские онтологические логикометодологические аксиологические аспекты науки в их соотношении. Предметом философии науки являются общие закономерности и тенденции научного познания как особой деятельности по производству научных знаний взятых в их историческом развитии и рассматриваемых в исторически изменяющемся социокультурном контексте. Философия науки иногда отождествляется с ближними областями науковедения наукометрии социологии науки что неправомерно.
78998. Проблема генезиса научного знания и плюрализма историко-научных концепций. Интернализм и экстернализм в анализе факторов развития науки 15.95 KB
  Интернализм и экстернализм в анализе факторов развития науки. Средоточием научных знаний является философия и ее предмет неотделим от философии науки и от естественных наук вообще. В истории формирования и развития науки можно выделить две стадии которые соответствуют двум различным методам построения знаний и двум формам прогнозирования результатов деятельности. создавших принципиально новое по сравнению с античностью и средневековьем понимание мира и началась классическая наука ознаменовавшая генезис науки как таковой как целостного...
78999. Позитивистская традиция философии науки: эволюция основных подходов и концепций. Критический рационализм и перспективы его развития 17.51 KB
  Позитивистская традиция философии науки: эволюция основных подходов и концепций. и был ориентирован на развитие науки. Позитивисты видели роль философии в развитии науки исследования закономерностей языка науки. Позитивизм – наиболее широко распространенное течение западной философии второй половины XIXXX веков утверждающее что источником подлинного положительного позитивного знания могут быть лишь отдельные конкретные эмпирические науки и их синтетические объединения а философия как особая наука не может претендовать на...
79000. Философские аспекты обоснования научного знания. Проблемы формализации и математизации научных теорий: история и современность 39.5 KB
  Научное знание выраженное в рамках соответствующей теории позволяет человеку: предвидеть наступление соответствующих событий совершаемых в природе или обществе и тем самым предсказать ход их дальнейшего развития и изменить эту объективную действительность посредством человеческой деятельности в соответствии с полученными научными знаниями и тем самым подчинить эту действительность...
79001. Типология научных проблем, их философско-методологический анализ. Генезис научной проблемы и пути её разрешения 15.5 KB
  Проблема форма теоретического знания содержанием которой является то что еще не познано человеком но что нужно познать. Проблема – это процесс включающий 2 момента – постановку и решение. Однако этим процедурам всегда предшествует вопрос или проблема. Для успешного решения научной проблемы Поппер формулирует 2 основных условия: Ясное четкое формулирование Критическое исследование различных ее решений Тем самым научная проблема выражается в наличии противоречивой ситуации которая требует разрешения.
79002. Теоретический уровень науки. Генезис научной теории, её внутренняя организация. Математический аппарат и его интерпретация 58.5 KB
  Генезис научной теории её внутренняя организация. Выделяют следующие основные элементы структуры теории: 1 Исходные основания фундаментальные понятия принципы законы уравнения аксиомы и т. 3 Логика теории совокупность определенных правил и способов доказательства нацеленных на прояснение структуры и изменения знания. 5 Совокупность законов и утверждений выведенных в качестве следствий из основоположений данной теории в соответствии с конкретными принципами.