2.3 Обратные связи в усилителях

Обратной связью (ОС) в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход.

Рассмотрим структурную схему усилителя с ОС, которая состоит из 2-х блоков: непосредственно усилителя и звена ОС, которое характеризуется коэффициентом передачи β.

Виды ос

• специально созданные ОС, которые применяются для улучшения характеристик усилителя;

• паразитные ОС, которые возникают самопроизвольно и ухудшают характеристики усилителя;

• в зависимости от параметра выходного сигнала:

• ОС по напряжению: U_ос = β · U_вых;

• ОС по току: U_ос = R_ос · i_вых; R_ос – взаимное сопротивление входной цепи и цепи ОС;

• комбинированная ОС (как по току, так и по напряжению).

• в зависимости от способа подачи ОС на вход усилителя:

• последовательная ОС, когда U_ос с выхода звена ОС подается последовательно с напряжением источника входного сигнала на усилитель (рисунок 2.16);

• параллельная ОС, когда U_ос подается на вход усилителя параллельно напряжению источника входного сигнала (рисунок 2.17);

β

ЗОС

У

R_н

U_ос

U_у

U_вых

U_вх

Рисунок 2.16 – Структурная схема УК с последовательной ОС

α

У

R_н

U_вых

U_вх

Рисунок 2.17 – Структурная схема УК с параллельной ОС

• в зависимости от воздействия ОС:

• положительная ОС, когда U_вх складывается с U_ос, в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение U_у;

• отрицательная ОС, когда из U_вх вычитается U_ос, в результате чего напряжения на входе U_у и выходе U_вых усилителя уменьшаются.

Наиболее часто в усилителях применяют отрицательную ОС (ООС).

Рассмотрим влияние ООС на коэффициент усиления усилителя. В соответствии со структурной схемой (рисунок 2.16) при ООС, последовательной по напряжению:

U_у = U_вх − U_ос, (2.1)

т. к. U_ос = β · U_вых, (2.2)

то U_вх = U_ос + U_у = U_у + β · U_вх (2.3)

Для усилителя без ОС:

U_вх = U_у, а К_u = U_вых / U_у (2.4)

Для усилителя с ОС:

К_ос = U_вых / U_вх = U_вых / (U_у + β · U_вых) (2.5)

Разделив числитель и знаменатель на U_у, получим

К_ос = К_u / (1 + β · К_u). (2.6)

Несмотря на снижение К_u, ООС улучшает свойства усилителя:

• повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;

• снижается уровень нелинейных искажений;

• улучшает АЧХ усилителя;

• увеличивается R_вх и уменьшается R_вых усилителя.

Уменьшение нелинейных искажений можно объяснить следующим образом. В усилителе без ОС при большом U_вх за счет нелинейных искажений в U_вых появляются высшие гармонические составляющие, которые искажают форму U_вых. При введении ООС эти высшие гармонические составляющие через звено ОС подаются на вход усилителя и усиленными появляются на его выходе. Усиленные гармоники вычитаются из U_вых, т. к. благодаря действию ООС они будут поступать в противофазе с первоначальными высшими гармониками, которые возникли из-за нелинейных искажений.

K_{u пс}

Улучшение АЧХ усилителя при ООС по следующей причине. Как известно, в области низких и высоких частот К_u уменьшается. При ООС ее действие в этих областях будет ослаблено из-за меньших значений К_u, что приводит к расширению полосы пропускания ∆f (рисунок 2.18).

f

Δf

Δf_ос

Δf_пс

K_u

K_{u ос}

K_u

Рисунок 2.18 – АЧХ УК с различными видами ОС

При ООС увеличивается R_вх и уменьшается R_вых.

Исходя из (ф. 2.3):

R_вхос = R_вх (1+ β · К_u),

R_вхос = R_вх (1 + β · К_u),

Таким образом, мы рассмотрели влияние ООС последовательной по напряжению.

Параллельная ООС приводит к увеличению входного тока I_вх, в связи с чем уменьшается R_вх.ос усилителя и R_вых.ос:

R_вх.ос = (U_вх − U_у) / I_вх,

R_вых.ос = R_вых / (1 + β · К_u).

Положительная ОС в усилителях обычно нежелательна, однако она может возникать непроизвольно через внутренние или внешние электрические цепи. Такая ОС называется паразитной, может возникать:

• через общие цепи питания усилительных каскадов;

• через паразитную емкость между выходными и входными цепями усилителя;

• как магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя (если они есть).

При слабой ПОС увеличиваются частотные и нелинейные искажения, при сильной ПОС усилитель может самовозбудиться, т. е. в отсутствии U_вх, на выходе может появиться переменное U_вых.

Наиболее серьезной паразитной ОС является связь между каскадами через цепи питания. Такая связь обычно возникает в многокаскадном усилителе, питающемся от одного источника. В этом случае токи всех каскадов замыкаются через источник питания. Для устранения такой паразитной связи применяют развязывающие Г-образные R_ф C_ф – фильтры (рисунок 2.19).

Емкостные и магнитные ОС возникают из-за нерационального монтажа, когда выходные цепи расположены вблизи входных. Такие виды ОС устраняются или рациональным монтажом или экранированием катушек и индуктивности, трансформаторов, соединительных приводов.

VT

U_вх

C_э

R_э

R₂

C_p1

C_ф

R_к

R₁

-E_к

R_ф

Рисунок 2.19 – Схема УК с Г-образным R_ф C_ф – фильтром