Обратная связь в усилителях

На практике ОУ обычно используют с цепями обратной связи (ОС). Под ОС понимают полную или частичную передачу сигнала с выхода усилителя на его вход в соответствии с рисунком 2.19. Если сигнал ОС суммируется с входным сигналом – положительная ОС (ПОС), если вычитается из входного сигнала – отрицательная ОС (ООС).

В качестве цепей ОС используются пассивные цепи, коэффициенты преобразования и частотные характеристики которых существенно влияют на свойства усилителя.

Рисунок 2.19 – ОС в усилители

ООС широко используют в усилителях на основе ОУ.

В зависимости от способа получения сигнала ОС различают: ОС по напряжению, по току и комбинированную. В зависимости от способа введения сигнала ОС во входную цепь различают: последовательную, параллельную и комбинированную. Последовательную ООС по напряжению и параллельную по току выполняют в соответствии с рисунком 2.20.

Для количественной оценки ОС используют коэффициент β, который показывает, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя.

Обратная связь оказывает влияние на все основные характеристики усилителя.

Коэффициент передачи усилителя, охваченного ООС, составит:

К_{U ОС} = U_ВЫХ /U_ВХ,

где U_ВХ=U¹_ВХ + β∙ U_ВЫХ, U¹_ВХ – напряжение непосредственно на входе усилителя.

Учитывая, что коэффициент передачи усилителя без ОС равен К_U=U_ВЫХ/U¹_ВХ получим

_. (2.62)

Рисунок 2.20 – Виды ОС

Величина А=(1+ β∙К_U) называется глубиной ОС.

Входное сопротивление для усилителя с последовательной ООС определится, как

R_{ВХ ОС} = U_ВХ /I_ВХ=(U’_ВХ +β∙U_ВЫХ)/ I_ВХ=(U’ВХ +β∙К_U ∙U’ВХ)/ I_ВХ

Учитывая, что U’_ВХ= I_ВХ∙∙ R_ВХ , где R_ВХ – входное сопротивление усилителя без ОС получим

R_{ВХ ОС} = R_ВХ∙∙(1+ β∙К_U). (2.63)

Входное сопротивление для усилителя с параллельной ООС

R_{ВХ ОС} = R_ВХ /(1+ β∙К_U). (2.64)

Выходное сопротивление для усилителя с ООС по напряжению

R_{ВЫХ ОС} = R_ВЫХ /(1+ β∙К_U), (2.65)

где R_{ВЫХ ОС} – выходное сопротивление усилителя без ОС.

Выходное сопротивление для усилителя с ООС по току

R_{ВЫХ ОС} = R_ВЫХ ∙(1+ β∙К_U). (2.66)

Важными преимуществами ОУ с ООС являются: уменьшение в А раз частотных (в соответствии с рисунком 2.21) и нелинейных искажений, вносимых усилителем. Указанные свойства определяют широкое применение ОУ с ООС.

Рисунок 2.21 – АЧХ усилителя без ООС и с ООС

Если подавать U_ОС в фазе с напряжением генератора входного сигнала U_ВХ (т. е. подключать выход четырехполюсника К_ОС к неинвертирующему входу), то ОУ оказывается охваченным ПОС. В формуле для расчета K_{U ОС} это отражается как изменение знака у K_{U ОС}

К_{U ПОС} = К_U /(1-β∙К_U). (2.67)

Из этой формулы видно, что ПОС способствует увеличению коэффициента усиления ОУ по сравнению с К_U. Однако введение ПОС в усилителе сопровождается ухудшением стабильности (устойчивости) его режима, увеличением частотных и нелинейных искажений, уменьшением динамического диапазона уровней усили­ваемых сигналов. Поэтому ПОС в усилителях используется редко.

При глубокой ПОС, если β∙К_U >1, происходит самовозбужде­ние ОУ. Это явление, как полезное, широко используется в автогенераторах.