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

80220. Рене Декарт 92 KB
  Декарт заложил основы аналитической геометрии дал понятия переменной величины и функции ввел многие алгебраические обозначения. Автор теории объясняющей образование и движение небесных тел вихревым движением частиц материи вихри Декарта. Декарт ввел представление о рефлексе дуга Декарта.
80221. ВОЛЬФ ХРИСТИАН (1679-1754) 28 KB
  начал с теологии затем перешел к философии и математике. Халле где читал лекции по всем разделам философии и исключительно на немецком языке что в те времена было большой редкостью не случайно считается что именно В. всю жизнь с невероятным педантизмом разрабатывал всеобъемлющую систему философии.
80222. Проблемы личности в социологии 80 KB
  Индивидуальность можно определить как совокупность черт, отличающих одного индивида от другого, причем различия проводятся на самых разных уровнях – биохимическом, нейрофизиологическом, психологическом, социальном и др.
80223. Социальные нормы и отклонения 88.5 KB
  В социологии отклоняющееся поведение называют девиантным. Этот термин употребляется в отечественной социологии в двух основных смыслах – широком и узком. В широком смысле термин девиантность означает любое отклонение от принятых в обществе социальных норм, начиная с самых незначительных, и кончая самыми серьезными, вплоть до убийства.
80224. Культура общества 49.5 KB
  Один из вариантов определения культуры может быть таким: культура – это поведение, присущее специфически человеку разумному, рассматриваемое в неразрывной связи с материальными объектами, используемыми как орудийная часть этого поведения
80225. Концепция стратификации общества 85 KB
  Полагая что Маркс чересчур упростил картину стратификации Вебер утверждал что в обществе существуют и другие линии раздела которые не зависят от классовой принадлежности или экономического положения и предложил многомерный подход к стратификации выделив три измерения: класс экономическое положение статус престиж и партию власть. Престиж – авторитет Влияние уважение в обществе степень которых соответствует определенному социальному статусу. Поэтому один из самых эффективных методов показа благосостояния – большие затраты на...
80226. Социальный статус 41.5 KB
  Социальная мобильность В системе стратификации индивиды или группы могут перемещаться с одного уровня слоя на другой. Этот процесс называется социальной мобильностью. Социальное неравенство предполагает различия в распределении благ и ответственности а социальная стратификация – структурированную систему неравенства социальная мобильность проявляется в движении индивидов или групп от одного социального статуса к другому. Вертикальная мобильность – изменение положения индивида которое вызывает повышение или понижение его социального...
80227. Технология создания видеофильма. Линейный и нелинейный монтаж 60 KB
  Снимаемый или съемочный кадр несколько длиннее того который будет виден на экране после монтажа фильма этот кадр называют монтажным. План составляется после тщательного ознакомления со всем снятым материалом и определения основной концепции монтажа фильма отсюдато название: план монтажа фильма. она является лишь элементом упорядочивающим готовый но еще сырой материал раньше всего в процессе монтажа фильма. Длинным может быть рабочий материал для просмотра или хранения в архиве а фильм должен быть кратким лаконичным лемким по...
80228. Аудио форматы на DVD 405.5 KB
  Аудио мир захвачен CD благодаря их высокой практичности и низкой цене а видео переходит от VHS кассет на DVD. Но музыкальная индустрия и DVD Forum предпочитают универсальный формат они желают продавать наши любимые альбомы на DVD так и появился формат DVD аудио. С технической точки зрения DVD имеет больший объем чем CD.