4.2.2. Влияние отрицательной обратной связи на выходное сопротивление усилителей

Как было отмечено в §3.2 главы 3 и в §4.2 главы 4, выходное (внутреннее) сопротивление усилителя без ОС определяется выражением

, (4.18)

гдеU_{вых.х.х.2} – выходное напряжение сигнала усилителя при х.х. на выходе (индекс «2») усилителя (Z_н=);

I_{вых.к.з.2} – выходной ток сигнала усилителя при к.з. на выходе (индекс «2») усилителя (Z_н=0).

По аналогии с этим выходное сопротивление усилителя с ООС будет определяться выражением

, (4.19)

где U_{вых.х.х.2.ОС} – выходное напряжение сигнала усилителя с ООС при Z_н=;

I_{вых к.з.2.ОС} – выходной ток сигнала усилителя с ООС при Z_н=0.

Поделив (4.19) на (4.18), можно выразить Z_вых.ОС через Z_вых

. (4.20)

Выражая выходные напряжения при х.х. и выходные токи при к.з. на выходе через параметры усилителя для различных видов ОС, можно получить соответствующие расчетные выражения для Z_{вых ОС}.

Поскольку, как отмечалось раньше, характер влияния ОС на выходное сопротивление усилителя определяется способом снятия ОС с выхода усилителя и не зависит от способов подачи ее на вход, то ниже это влияние рассматривается для последовательной по выходу ОС (ОС по току), для параллельной по выходу ОС (ОС по напряжению) и для комбинированной по выходу ОС. При этом способ подачи на вход может быть любой, например, последовательный по входу.

а) последовательная по выходу ООС (ООС по току)

Схема усилителя с такой ООС приведена на рис.4.8.

Анализ (4.20) для схемы рис.4.8 приводит к выражению:

Z_выхОС=Z_выхF^*_к.з.2=Z_вых(1+К^*_к.з.2) , (4.21)

где .

Выражение (4.21) приведено в п.6 «Таблицы показателей усилителей с ООС» для ОС по току.

Как видно, последовательная по выходу ООС увеличивает выходное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при к.з. на выходе (Z_н=0).

Следует подчеркнуть, что это увеличение выходного сопротивления происходит вследствие действия ООС, а не за счет пассивного влияния сопротивления ОС в выходной цепи усилителя, которое сводят к минимуму выбором очень малого сопротивления ОС (см. §4.1).

Рис. 4.8

Uвх

Еист



Iвх

Iвых

Uвых

Zн(Rн)



U_ОС

Iист

К

Zист(Rист)

Zвых

Физически этот результат можно пояснить следующим образом. Известно, что чем больше выходное сопротивление устройства, тем сильнее меняется выходное напряжение сигнала при изменении сопротивления нагрузки. Именно это и происходит при ОС по току. Действительно, например, при увеличении сопротивления нагрузки напряжение сигнала на выходе увеличивается, а выходной ток уменьшается. При ОС по току уменьшение выходного тока приводит к уменьшению напряжения ОС, что при ООС увеличивает входное, а, следовательно, и выходное напряжение устройства. В итоге при ООС по току выходное напряжение сигнала при изменении сопротивления нагрузки изменяется сильнее, чем без ОС, что эквивалентно возрастанию выходного сопротивления устройства.

б) параллельная по выходу ООС (ООС по напряжению)

Схема усилителя с такой ООС приведена на рис.4.9.

Анализ (4.20) для схемы рис. 4.9 приводит к выражению:

, (4.22)

где .

Выражение (4.22) приведено в п.6 «Таблицы показателей усилителей с ООС» для ОС по напряжению.

Рис. 4.9

Uвх

Еист



Iвх

Iвых

Uвых

Zн(Rн)



U_ОС

Iист

-К

Zист(Rист)

Zвых

Из (4.22) следует, что параллельная по выходу ООС (ООС по напряжению) уменьшает выходное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при х.х. на выходе (Z_н=). Это уменьшение выходного сопротивления происходит в результате действия ООС, а не в результате пассивного шунтирования выхода устройства сопротивлением

-цепи, которое сводится к минимуму выбором достаточно большого значения этого сопротивления (см. §4.1). Уменьшение выходного сопротивления устройства при ООС по напряжению физически можно пояснить следующим образом. При увеличении сопротивления нагрузки выходное напряжение сигнала устройства возрастает. При ОС по напряжению это приводит к увеличению напряжения обратной связи, что при ООС уменьшает входное, а, следовательно, и выходное напряжение устройства. В результате при ООС по напряжению выходное напряжение сигнала устройства при изменении сопротивления нагрузки изменяется меньше, чем без ОС, что эквивалентно уменьшению выходного сопротивления устройства.

Это свойство ООС по напряжению широко используется в устройствах, работающих на изменяющуюся нагрузку, например, в трансляционных усилителях, в измерительных генераторах и т.д. Применением ООС по напряжению можно получить очень низкое выходное сопротивление трансляционного усилителя, выходное напряжение которого практически не будет меняться при изменении сопротивления нагрузки. Как отмечалось раньше в §3.1, способность трансляционного усилителя поддерживать постоянство выходного напряжения характеризуется коэффициентом сброса нагрузки (3.4)

,

а в области средних частот (3.5.)

.

Чем меньше коэффициент сброса нагрузки, тем стабильнее выходное напряжение при изменении сопротивления нагрузки. Для получения заданного (требуемого) коэффициента сброса нагрузки выходной каскад должен быть охвачен ООС по напряжению со сквозной глубиной F^*, при которой снижение сквозного коэффициента усиления устройства соответствовало бы условию:

. (4.23)

Следует также отметить, что ООС по напряжению очень широко используется в ОУ и в устройствах обработки аналоговых сигналов на базе ОУ.

в) комбинированная по выходу ООС

Комбинированная по выходу ООС объединяет в себе последовательную по выходу ООС (ООС по току) и параллельную по выходу ООС (ООС по напряжению). Поэтому выходное сопротивление усилителя в этом случае характеризуется формулой, приведенной в п.6 «Таблицы показателей усилителей с ООС» для комбинированной по выходу ООС (формулой Блекмана), которая объединяет приведенные там же и в (4.21) и (4.22) формулы для выходного сопротивления усилителя соответственно при ООС по току и ООС по напряжению:

, (4.24)

где ; .

Как видно, выходное сопротивление устройства при комбинированной по выходу ООС с одной стороны увеличивается ООС по току в F^*_к.з.2 раз (4.21), а с другой стороны уменьшается ООС по напряжению в F^*_х.х.2 раз (4.22), то есть оно будет зависеть от соотношения глубин ООС, вычисленных соответственно при к.з. со стороны выхода (Z_н=0) и при х.х. со стороны выхода (Z_н=). Выбором соотношения между F^*_к.з.2 и F^*_х.х.2 можно получить любое наперед заданное значение выходного сопротивления устройства, что широко используется, например, в усилителях многоканальной связи. Очевидно, что при F^*_к.з.2=F^*_х.х.2 выходное сопротивление усилителя будет таким же, каким оно было без ООС.