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

5 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

59304. CЦЕНАРІЙ КВК ПО ХІМІЇ 67 KB
  Ведучий 1: Доброго дня шановні друзі Сьогодні на острові Хімляндії в Клубі веселих та кмітливих відбудеться зустріч двох команд хіміків і екологів. Ведучий 2. Ведучий 1: То ж запрошуємо на сцену для змагання дві команди.
59305. Казкова вікторина 135.5 KB
  Діти: Допоможемо Книгадівчина: Які ви молодці а то мені не впоратись самій. Дівчина книга сідає на стілець. І під загадкову музику і мікрофон хтось каже: Книга відкривається казка починається Під веселу музику вбігає колобок і співає: Колобок: Я по засіку метений...
59306. Виховна година, присвячена Дню Збройних Сил України 45 KB
  Політичний, економічний, духовний розвиток України можливий за умови гарантування її державного суверенітету, політичної незалежності, збереження територіальної цілісності та недоторканості кордонів.
59307. ТУРНІР МАЙБУТНІХ СІМЕЙ. ВАЛЕОЛОГІЧНИЙ ВЕЧІР 37 KB
  Одружитися зовсім не важко важко бути одруженим. Так Тисячу разів повторюють це признання перед усім білим світом. Це вільна рівноправна спілка жінки та чоловіка укладена з дотриманням порядку та умов установлених законом яка утворює сімю і породжує взаємні особисті...
59308. Провідник (Windows Explorer) 61 KB
  Копіювання та переміщення файлів з використанням буфера обміну Знайдіть в папці €œМої документи файли Urok1.doc Urok2.doc Urok3. Тепер з папки €œМої документи перемістіть файл Urok4.
59309. Основні норми української літературної вимови 43 KB
  Виробляти й удосконалювати навики правильної вимови голосних і приголосних звуків та передачі їх на письмі. Ось про те чому замість звукаякий ми чуємо пишемо букву що позначає інший звук чому ь мякий знак а в інших ні; про основні правила вимови й написання букв і йтиметься на сьогоднішньому уроці.
59310. Інтонація та розділові знаки між простими реченнями в складносурядному 38.5 KB
  Які речення називається складносурядним 2. Які смислові звязки існують між простими реченнями у складносурядному 3. ЗАВДАННЯ: записити й виразно з інтонацією прочитати речення.
59311. ЕНЕРГІЯ ЗМІН: МОЛОДЬ ВИБИРАЄ ЗДОРОВЯ 59 KB
  Допомогти учням зрозуміти значення всіх складових і факторів здоровя. Вчити усвідомлювати основну мету здорової людини повноцінне життя як громадянина; можливість кожної особи реалізувати свій творчий і фізичний потенціал успадкований від батьків...
59312. Святий Миколай-найяскравіший приклад добродійництва і милосердя 40.5 KB
  Трошки допоможи мамі бо святий Миколай все бачить і чує. Гануся: Мамо мамо а хто такий святий Миколай Мама: Ой діти то довга історія а я немаю часу розповідати. Жив в однім краю служив Господу Богу і людям єпископ Миколай.