Обратная связь в усилителях

Улучшить характеристики и параметры усилителя можно с помощью обратной связи, т.е. искусственной цепи, по которой часть энергии с выхода усилителя направляется на его вход, изменяя режим входной цепи. При этом образуется замкнутый контур, состоящий из усилителя и звена обратной связи. Различают однопетлевую и многопетлевую обратные связи.

Рисунок 60

В последней схеме можно выделить общую петлю обратной связи , охватывающую весь усилитель с коэффициентом усиления K и местную петлю обратной связи – охватывающую отдельный усилительный каскад.

Если звено обратной связи подключено к выходу усилителя таким образом, что напряжение обратной связи  пропорционально выходному напряжению , то речь идет об обратной связи по напряжению и обратной связи по току при пропорциональности напряжения  току в выходной цепи .

Основная характеристика звена обратной связи показывает долю напряжения, снимаемого с выхода усилителя и подаваемого на его вход.

.

а)                                                  б) Рисунок 61

При подключении напряжения обратной связи последовательно с входным напряжением усилителя  речь идет о последовательной обратной связи и при подключении параллельно – о параллельной.

Рисунок 62

Для оценки влияния обратной связи на коэффициент усиления и его стабильность рассмотрим схему, в которой достигается стабилизация выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки рисунок 62,а . С учетом действия обратной связи напряжение сигнала, подводимого к входу усилителя, определенного равенством

.

Разделив все члена уравнения на U_вых и приняв, что  – коэффициент усиления без обратной связи и  – коэффициент усиления с учетом  получим:

1,

или

,

.

где  – глубина обратной связи.

Пользуясь выражением , из которого следует, что при введении обратной связи коэффициент усиления изменится в  раз. Поскольку усилитель и звено обратной связи содержат реактивные элементы, вносящие в усиливаемый сигнал фазовые сдвиги  и , т.е.  и .

.

Если , то  – величина вещественная и отрицательная, а напряжение обратной связи  противоположно по фазе напряжению усиливаемого сигнала уменьшая его:

.

Такая обратная связь называется отрицательной обратной связью. Если , равенство примет вид:

,

т.е. коэффициент усиления зависит от параметров усилителя лишь параметрами звена обратной связи.

Последовательная отрицательная обратная связь увеличивает также входное сопротивление усилителя. Кроме того введение ООС по напряжению в  раз уменьшает выходное сопротивление усилителя , а по току увеличивает на туже величину.

Наряду с этим ООС в  раз уменьшает все виды линейных и нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а также напряжения шумов и помех.

При совпадении по фазе напряжения обратной связи  с напряжением усиливаемого сигнала, т.е. при , , а формула приобретает вид .

Такая обратная связь называется положительной обратной связью (ПОС). Если  , коэффициент усиления усилителя увеличивается, имея однако конечное значение, и стремится к бесконечности при . Это условие является условием самовозбуждения усилителя, поскольку на его входе могут существовать колебания бесконечно малом входном сигнале, который всегда имеется в виде напряжения шумов. При этом усилитель превращается в генератор электрических колебаний широкого спектра частот. Самовозбужденный усилитель не может нормально усиливать входной сигнал, так как он заполнен собственными колебаниями.

В многокаскадных усилителях через общие цепи питания или емкости монтажа могут возникать внутренние обратные связи, для которых на какой либо частоте выполняется соотношение  и усилитель самовозбуждается. Такие ОС называются паразитными. Для сведения к минимуму возможности образования паразитных обратных связей требуется тщательный монтаж, использование экранов и развязывающих фильтров и другие меры.

Пример: Коэффициент усиления по напряжению . Допустим, что в результате изменения температуры, напряжение источника питания усилителя изменилось и новое значение стало равным 900. Следовательно относительное изменение коэффициента усиления .

В усилитель введена ООС с . Тогда относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охвачено ООС, определяем

Таким образом при введении ОС общее усиление изменилось всего на , т.е. коэффициент усиления изменился в 31 раз меньше чем в усилителе без обратной связи.