Общие сведения. Обратная связь (ОС) находит широкое применение в разнообразных АЭУ, в т.ч

Обратная связь (ОС) находит широкое применение в разнообразных АЭУ, в т.ч. и в УУ. В УУ введение ОС призвано улучшить ряд основных показателей или придать новые специфические свойства. Особую, принципиальную роль ОС играет в микроэлектронных УУ. Можно утверждать, что без широкого использования ОС было бы крайне трудно осуществить серийный выпуск линейных ИМС.

Обратной связью называется передача части (или всей) энергии сигнала с выхода на вход устройства. Сниматься сигнал обратной связи может с выхода всего устройства или с какого-либо промежуточного каскада. ОС, охватывающую один каскад, принято называть местной, а охватывающую несколько каскадов или весь многокаскадный УУ – общей.

Структурная схема УУ с ОС приведена на рис. 4.1.

Обычно коэффициент усиления УУ и коэффициент передачи цепи ОС носят комплексный характер, что указывает на возможность фазового сдвига в областях НЧ и ВЧ за счет наличия реактивных элементов как в самом УУ, так и в цепи ОС.

Коэффициент передачи цепи ОС равен:

.

Согласно классической теории ОС, влияние ОС на качественные показатели УУ определяются возвратной разностью (глубиной ОС):

,

где – определитель при равенстве нулю параметра прямой передачи. Равенство нулю этого параметра равносильно разрыву замкнутой петли передачи сигнала с сохранением нагружающих иммитансов в месте разрыва.

Следование классической теории ОС приводит к сложности вычислений, преодолимой только с помощью ЭВМ.

Для эскизных расчетов пригодна элементарная теория ОС [6]. Ее применение допустимо тогда, когда есть возможность разделения цепей прямой передачи и обратной передачи . В реальных УУ четкого разделения этих цепей невозможно, поэтому расчеты с помощью элементарной теории ОС приводят к погрешности результатов, впрочем, вполне допустимой для эскизного проектирования. Согласно элементарной теории ОС, глубина ОС определится как:

.

Тогда

.

Если >0 – ОС носит положительный характер (ПОС), если <0 – ОС отрицательная (ООС), в последнем случае

,

.

Нетрудно увидеть, что в случае ПОС фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются, что приводит к увеличению коэффициента усиления, в случае же ООС несовпадение фаз входного сигнала и сигнала обратной связи приводит к их вычитанию, и, следовательно, к уменьшению коэффициента усиления.

Обратная связь может специально вводиться в УУ для изменения его характеристик, а также возникать за счет влияния (обычно нежелательного) выходных цепей на входные (паразитная ОС).

ПОС находит применение в генераторах, а иногда и в частотно-избирательных усилителях, в большинстве усилителей ПОС является паразитной.

Основное применение в УУ находит ООС. Она позволяет повысить стабильность работы усилителей, а также улучшить другие важные параметры и характеристики. Сразу следует подчеркнуть, что снижение коэффициента усиления в современных УУ за счет ООС не является сегодня уж очень значительным фактором, т.к. широко используемые микроэлектронные структуры с большими собственными коэффициентами усиления позволяют иметь значительный по величине К. В дальнейшем основное внимание будет уделено именно ООС. ООС классифицируется в зависимости от способов подачи сигналов ООС во входную цепь усилителя и снятия их с выхода усилителя. Если во входной цепи вычитается ток ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной (т.к. выход цепи ООС подключен параллельно входу усилителя).

Если же во входной цепи вычитаются напряжения входного сигнала и сигнала обратной связи, то такую ООС называют последовательной (т.к. выход цепи ООС подключен последовательно входу усилителя).

По способу снятия сигнала обратной связи различают ООС по напряжению, когда сигнал ООС пропорционален выходному напряжению усилителя (вход цепи ООС подключен параллельно нагрузке усилителя), и ООС по току, когда сигнал ООС пропорционален току через нагрузку (вход цепи ООС подключен последовательно с нагрузкой усилителя).

Таким образом, следует выделить четыре основных варианта цепей ОС (рис. 4.2):

последовательная по току (последовательно-последовательная, Z -типа), последовательная по напряжению (последовательно- параллельная, H -типа), параллельная по напряжению (параллельно-параллельная, Y -типа) и параллельная по току (параллельно- последовательная, G -типа). Существуют и смешанные (комбинированные) ООС.

4.2. Характеристики усилителей с ОС

Влияние любого типа ОС на усиление можно определить при помощи универсального отношения для коэффициентов усиления по э.д.с. в отсутствие ОС K_E (j ω) и при ее наличии K_{E ос}(j ω):

.

Для определения величины β (3-*) через параметры конкретных схем также можно пользоваться универсальным приемом. Источник входного сигнала заменяют эквивалентным генератором, вычисляют его сопротивление и в реальной схеме заменяют этим сопротивлением предшествующие данному усилителю цепи. Затем к выходной цепи усилителя, охваченного ОС, мысленно прикладывают внешнее напряжение U _вых(j ω) или вводят в нее ток I _вых(j ω) и вычисляют, какое напряжение ∆ U _вх(j ω) появляется на входных зажимах собственно усилителя (рис. 4.*). В области СЧ, принебрегая емкостным сопротивлением конденсатора C _г, получаем:

.

Рис. 4.*. Пример усилителя с ОС: принципиальная схема (а) и определение коэффициента β (б).

Изменение входного и выхдного сопротивлений усилителя при введении ОС в общем случае зависит не только от параметров цепи ОС, но также от сопротивления источника сигнала и нагрузки соответственно. Целесообразно для узлов, в которых цепь ОС соединяется с зажимами усилителя параллельно, рассматривать суммарную проводимость (Y _г+ Y _вх для рис. 4.*, а и в и Y _н+ Y _вых для рис. 4.*, а и б), а для контуров, в которых цепь ОС соединяется последовательно с зажимами усилителя, – суммарное сопротивление (Z _г+ Z _вх для рис. 4.*, б и г и Z _н+ Z _вых для рис. 4.*, в и г). Тогда, обобщая обозначения проводимости Y и сопротивления Z символом иммитанса W, можно записать универсальное соотношение для суммарных иммитансов входной (выходной) цепи при наличии ОС (W _г(н)+ W _вх(вых)):

,

откуда

.

Если иммитанс источника сигнала или нагрузки мал по сравнению с соответствующим иммитансом усилителя, например Z _г<< Z _вх в схемах типа рис. 4.*, б, г, как это часто бывает в усилителях с полевыми транзисторами, то соотношение (4-*) упрощается:

.

В частном случае распространенной параллельной схемы ОС по напряжению с одной ветвью (см. рис. 4.*) из выражения входной проводимости усилителя удается исключить проводимость источника сигнала:

.

Формулы (4-*) – (4-*) одинаково применимы как для ООС, так и для ПОС.

В общем случае коэффициенты K (j ω) и β(j ω), прооизведение которых определяет величину γ(j ω), зависят от частоты и являются комплексными величинами. Поэтому одна и та же цепь может создавать на одних частотах ООС, а на других – ПОС. Соответствующим выбором схемы и ее элементов можно обеспечить практически вещественные значения коэффициентов K и β в достаточно широкой полосе частот. Если при этом ОС получается отрицательной, то произведение K β>0 и вместо формул (4-*) – (4-*) получаем:

;

;

,

а для схемы на рис. 4.*

,

т.е. ООС имеет глубину больше единицы, уменьшает коэффициент усиления по напряжению, увеличивает входной и выходной иммитансы, соответствующие способу соединения цепи ОС с данными зажимами усилителя.

Приближенно считают, что коэффициенты нелинейных K _г и частотных (M _н−1; M _в−1) искажений, фазовый сдвиг φ, а также уровень фона уменьшаются ООС в γ раз. Примерно во столько же раз улучшается стабильность коэффициента усидения и других параметров усилителя при изменении питающих напряжений или параметров отдельных элементов схемы, в том числе транзисторов. В действительности этот выигрыш сохраняется только в условиях, когда соответствующие искажения в самом усилителе невелики, в частности в полсе частот, в которой малы фазовые сдвиги. Таким образом, ООС уместно применять для качественных показателей усилителей, которые спроектированы достаточно тщательно (стр.*-*).

Дата добавления: 2014-01-03