Лекция 3. Обратные связи в усилителях и их влияние на параметры

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью в усилителях называют подачу части или всего выходного сигнала усилителя на его вход. На рис 1 изображена структурная схема усилителя с обратной связью.

Рис1, Структурная схема усилителя с последовательной ООС по напряжению

Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными.

Если при наличии обратной связи входное напряжение складывается с напряжением обратной связи, в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение, то такую обратную связь называют положительной.

Если после введения обратной связи напряжения на входе и на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием напряжения обратной связи из входного напряжения, то такую обратную связь называют отрицательной.

По способу формирования сигнала ОС все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току. По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя все обратные связи подразделяются на последовательные, при которой цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями усилителя, и параллельные, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

Рассмотрим влияние ООС по напряжению на коэффициент усиления усилителя. При ООС по напряжению для входной цепи усилителя рис (6.6) можно составить уравнение

С учетом равенства выражение можно переписать в виде

Очевидно, для усилителя без обратной связи Uвх = U₁, поэтому коэффициент усиления усилителя без обратной связи . Учитывая это, запишем выражение для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:

Разделив в последнем выражении числитель и знаменатель на U1, получим

Из этой формулы следует, что введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя 1+βK раз.

Аналогично можно показать, что коэффициент усиления усилителя с положительной ОС

.

Как видно из этого выражения, введение ПОС повышает коэффициент усиления усилителя. Однако ПОС в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффициента усиления значительно ухудшается.

Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения ООС существенно улучшаются свойства усилителя:

а) повышается стабильность коэффициента усиления при изменениях параметров транзисторов;

б) снижается уровень нелинейных искажений

в) увеличивается входное сопротивление и уменьшается выходное

г) снижаются частотные искажения и расширяется полоса пропускания

Рис. 3, Изменение АЧХ усилителя при введении ООС

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение:

Приращение

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с оос

Отсюда видно, что всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием ООС в 1+βK раз.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления К, в том числе связанных с неравномерностью частной характеристики. Поэтому в таком усилителе с обратной связью расширяется полоса пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот, уменьшаются частотные искажения.

Это выражение свидетельствует о том, что при глубокой ООС коэффициент усиления усилителя не зависит от коэффициента усиления К, т.е. не зависит от причин, вызывающих изменение коэффициента усиления.

Аналогично можно показать, что в случае ПОС стабильность коэффициента усиления ухудшается.

Отрицательная обратная связь уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Это можно объяснить следующим образом. В усилителе без ОС при большом входном напряжении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении помимо основной гармоники появляются высшие гармонические составляющие, наличие которых искажает форму выходного напряжения. При введении ООС высшие гармонические составляющие, наличие которых искажает форму выходного напряжения, через звено обратной связи подаются на вход усилителя и усиленными появляются на его выходе. Усиленные высшие гармоники вычитаются из выходного напряжения усилителя, так как благодаря действию ООС они будут поступать в противофазе с высшими гармоническими составляющими, появляющимися вследствие нелинейных искажений усилителя. Таким образом, содержание гармоник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а, следовательно, искажения усиливаемого напряжения в усилителе с ООС будет меньше.

На рис 2 показана схема усилителя с параллельной ООС по току. Как видно,

U _ос = R _ос * I _вых

Рис.2. Структурная схема усилителя с параллельной ООС по току

Такая обратная связь возникает только при наличии выходного сигнала, т.е. при работе усилителя на нагрузочное устройство.

Для усилителя с ООС по напряжению выходное сопротивление уменьшается

До сих пор рассматривались обратные связи, создаваемые в усилителях специально. Ниже будут рассмотрены паразитные ОС, которые возникают в усилителе самопроизвольно и очень часто существенно ухудшают его работу.

Существует несколько видов паразитных ос:

1) Паразитная связь между каскадами через цепи питания;

2) Емкостная связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

Если в усилителе имеется слабая положительная ОС, то ухудшение его работы проявляется в увеличении частотных и нелинейных искажений. Когда же в усилителе появляется сильная паразитная ОС βК , он может самовозбудиться, т.е. в отсутствие входного напряжения на выходе усилителя может появиться переменное выходное напряжение.

Наиболее серьезной паразитной ОС является связь между каскадами через цепи питания. Такая связь обычно имеется в многокаскадном усилителе, питающемся от одного источника питания. В этом случае токи всех каскадов усилителя замыкаются через источник питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания заметное падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, образуя нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения такого вида обратных связей применяют развязывающие Г – образные RС- фильтры, как при сглаживании пульсаций напряжения в выпрямителе. Иногда первые каскады даже питают от отдельного выпрямителя.

Емкостные и индуктивные ОС возникают из-за нерационального монтажа, когда в многокаскадном усилителе выходные цепи усилителя расположены вблизи от его входных цепей, что приводит к возникновению заметной емкости и взаимной индуктивности между элементами входной и выходной цепей. Такие виды обратной связи устраняют в основном рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя. Для этого индуктивные катушки, трансформаторы, соединительные провода и выходные цепи помещают в специальные экраны.

В заключении отметим, что устранять паразитные ОС довольно сложно, это требует большого практического опыта.