ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратной связью называется такая электрическая связь между каскадами усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя подается обратно на его вход.

Обратная связь может быть полезной, если она возникает в результате применения специальных схем и служит для улучшения свойств усили­теля, или паразитной, если она возникает за счет нежелательного влияния различных цепей друг на друга.

На рис. 14.1 показаны различные способы подключения цепи обратной связи к выходной и входной цепям усилителя. Элемент схемы, обозначенный буквой β, является элементом обратной связи, посредством которого часть напряжения с выхода усилителя попадает обратно на его вход.

Если цепь обратной связи подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке Z _H, то напря­жение обратной связи U _β будет прямо пропорционально напряже­нию на выходе; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению (рис. 14.1, а и в).

Если же цепь обратной связи подключена к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет прямо пропорционально току в нагрузке I _Н; такую обратную связь называют обратной связью по току (рис. 14.1, б). Возможна комбинация этих способов подключения цепей обратной связи к выходу, при которой напряжение U _β состоит из двух составляющих, пропорциональных выходному на­пряжению и току. Такая обратная связь называется смешанной.

Если цепь обратной связи подключается к U _β ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала, то обратную связь называют последовательной (рис. 14.1, а, б).

Если же цепь обратной связи подключается к входу параллельно источнику сигнала, то обратную связь называют параллельной (рис. 14.1, в). Обратная связь может быть положительной или отрицательной.

Положительная обратная связь возникает в том случае, когда напряжение обратной связи U _β совпадает по фазе с входным напря­жением U _ВХ.

Отрицательной обратной связью называется такая связь между выходом и входом, когда напряжение обратной связи U _β, противоположно по фазе входному напряжению U _ВХ, т. е. оба эти напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°. Наиболее распространенной в усилителях является последо­вательная отрицательная обратная связь по напряжению.

Следует обратить внимание на то, что параметры, характери­зующие усилитель с обратной связью, в общем случае имеют комп­лексный характер.

Влияние обратной связи на коэффициент усиления

и входное сопротивление усилителя

Для вывода формулы коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью, воспользуемся структурной схемой, приведенной на рисунке. Здесь усилитель с коэффициентом усиления охвачен обратной связью, которая

осуществляется с помощью специальной цепи, обозначенной β.

Отношение напряжения обратной связи U _β, поступающего через цепь обратной связи на вход усилителя, к напряжению на выходе U _ВЫХ называется коэффициентом передачи цепи обратной связи, т. е.

. (1)

Коэффициент β может принимать значения

от 0 до +1 при положительной обратной связи,

от 0 до −1 при отрицательной обратной связи.

По мере увеличения численного значения β обратная связь становится все более глубокой. Таким образом, напряжение обратной связи в общем случае определяется выражением

U _β = ±βU _ВЫХ. (2)

Коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, можно выразить отношением выходного напряжения на нагрузке U_ВЫХ, к напряжению источника сигнала U_ВХ

(3)

Напряжение поступающее на вход усилителя, в общем случае является суммой напряжений U_ВХ и U_β.

= U _ВХ + U _β.

Принимая во внимание выражение (2), получаем

= U _ВХ + (± βU _ВЫХ) (4)

Откуда

U _ВХ = - (± βU _ВЫХ)

Подставляя значение U_ВХ в формулу (3), получаем

Разделим числитель и знаменатель на . Тогда

В окончательном виде выражение для коэффициента усиления усилителя с обратной связью принимает вид

(5)

Произведение ±βК называется фактором обратной связи; знак при нем совпадает со знаком самой обратной связи.

При положительной обратной связи знаменатель дроби уменьшается, а коэффициент усиления возрастает.

При отрицательной обратной связи знаменатель возрастает, а коэффициент усиления падает.

Т. е. коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицатель­ной обратной связью, падает в (1 + βК) раз.

Несмотря на уменьшение усиления, отрицательная обратная связь широко используется в усилителях, так как при ее введении удается улучшить ряд других параметров. Особое значение для работы усилительной схемы имеет стабильность коэффициента усиления. Следует отметить, что при работе усилителя его коэффициент усиления может изменяться вследствие ряда причин. Ос­новные из них следующие: непостоянство напряжения источников питания, температуры, давления или влажности окружающей среды, старение усилительных элементов и деталей и т. п.

При βК >> 1 (при глубокой обратной связи)

т. е. коэффициент усиления схемы, охваченной глубокой от­рицательной обратной связью, практически не зависит от коэффи­циента усиления собственно усилителя, а определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи.

Рассмотрим, как будет влиять отрицательная обратная связь на изменения коэффициента усиления, на примере. Пусть усилительный каскад с коэффициентом усиления К = 80 охвачен отри­цательной обратной связью, причем коэффициент передачи цепи обратной связи β = 0,2. В соответствии с формулой (14.8) коэффициент усиления каскада с обратной связью составляет

Предположим далее, что коэффициент усиления К изменился (увеличился) на 10 %. Тогда коэффициент усиления каскада о об­ратной связью составит

Следовательно, при использовании отрицательной обратной связи коэффициент усиления каскада изменился менее чем на 1%. Фи­зически стабилизация коэффициента усиления при введении отри­цательной обратной связи объясняется следующим образом. Если за счет каких-либо причин усиление изменилось на величину ΔК, то напряжение обратной связи изменится на соответствующую величину Δ U _β, причем, если усиление возросло, то возрастет на­пряжение обратной связи, что вызовет уменьшение входного на­пряжения; если усиление упало, то уменьшится напряжение обратной связи, что вызовет увеличение входного напряжения. Таким образом, отрицательная обратная связь препятствует лю­бым изменениям величины коэффициента усиления.

Найдем входное сопротивление усилителя при последовательной отрицательной обратной связи (рис. 14.1, а и б):

где Z_BX— входное сопротивление усилителя без обратной связи.

Из выражения 14.10 видно, что при введении последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя возрастает в (1 + βК) раз. Это объясняется тем, что напряжение обратной связи U _β вычитается из напряжения U_BX, поступающего на вход сигнала, и поэтому к входу самого усилителя приложено разностное напряжение U '_BX = U _BX − U _β. В результате входной ток усилителя уменьшается, а входное сопротивление возрастает, что, как правило, благоприятно сказывается на работе усилителя.