Раздел 2. Обратная связь 1 Основные определения и классификация
 Скачать 0.5 Mb.
|
раздел 2ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ 2.1 Основные определения и классификация При построении устройств аналоговой схемотехники исключительно важное значение имеет применение обратной связи (ОС). Свойства усилителя в значительной степени определяются свойствами цепей обратной связи. С помощью усилителя, охваченного обратной связью, можно построить практически все устройства аналоговой обработки сигналов: активные фильтры, инвертирующие и не инвертирующие усилители, сумматоры, вычитатели, логарифмические преобразователи, генераторы, перемножители и другие. Обратной связью называют процесс передачи части энергии сигнала из последующих цепей усилителя в предыдущие. На рисунке 2.1 приведена упрощенная структурная схема усилителя с обратной связью. Здесь в качестве цепи обратной связи используется пассивный четырёхполюсник с коэффициентом передачи 2  .1  Рисунок 2.1 - Структурная схема усилителя с цепью обратной связиВ схеме рисунка 2.1: К – коэффициент усиления напряжения в усилителе без ОС; КВХ.Ц – коэффициент передачи напряжения сигнала во входной цепи усилителя без ОС; UОС– напряжение на выходе цепи ОС, подводимое к источнику сигнала; – коэффициент обратной связи (коэффициент передачи напряжения сигнала по цепи ОС с выхода до источника сигнала), определяемый по формуле (2.1). Поскольку цепь обратной связи является, как правило, пассивной, то модуль не превышает единицы. Замкнутый контур, образованный усилительным трактом и цепью ОС, называется петлей ОС. Коэффициент передачи по всей петле ОС называют петлевым усилением (или возвратным отношением)  , (2.2)где  – сквозной коэффициент усилителя.Комплексный характер коэффициентов передачи учитывается при наличие частотных и фазовых искажений, т.е. на краях частотного диапазона. В области средних частот параметры в (2.2) являются действительными величинами. Системы с обратной связью различаются по следующим классификационным признакам: 1. По способу взаимодействия сигналов, поступающих от источника сигнала и по цепи ОС, обратная связь может быть: положительная; отрицательная; комплексная. Поскольку при обратной связи во входной цепи взаимодействуют сигналы, поступающие от источника (ЕИСТ) и с выхода цепи ОС (UОС), результирующее значение (UВХ ОС) будет зависеть от фазы напряжения на выходе цепи ОС (UОС) относительно фазы напряжения источника сигнала (рисунок 1.2).  Рисунок 2.2 - Типы обратной связи по способу взаимодействия сигналовОбратная связь называется положительной (ПОС), если сигнал обратной связи совпадает по фазе с сигналом источника при их взаимодействии на входе усилителя (  = 0).Результирующее напряжение UВХ ОСравно сумме ЭДС источника сигнала (ЕИСТ)и напряжения с выхода цепи ОС (UОС). При ПОС вектор напряжения ОС совпадает по направлению с вектором ЭДС источника сигнала (рисунок 2.3а), что приводит к увеличению результирующее напряжение на входе (UВХ ОС) и выходе схемы и к увеличению сквозного коэффициента усиления всей схемы  , (2.3)где величина  – называется глубиной положительной ОС (или сквозной возвратной разностью). Положительная обратная связь может использоваться при построении генераторов, так как при = 0и  = 1 выполняется, соответственно, баланс фаз и баланс амплитуд, что является условием самовозбуждения. При построении усилительных устройств ПОС используется редко, поскольку при возникновении самовозбуждения усилитель перестает выполнять свои непосредственные функции увеличения мощности входного сигнала. В случае, если баланс амплитуд не выполняется (0 < К*< 1), самовозбуждения усилителя не происходит, но, не смотря на увеличение коэффициента усиления, основные качественные показатели усилителя при ПОС будут ухудшаться. Если сигналы обратной связи и источника находятся в противофазе ( =180), ОС называют отрицательной (ООС).При ООС вектор напряжения ОС противоположен вектору ЭДС источника сигнала (рисунок 2.3б), что приводит к уменьшению результирующего напряжения UВХ ОС и уменьшению сквозного коэффициента усиления всей схемы. На первый взгляд может показаться парадоксальной и даже вредной затея введения в усилитель цепей, уменьшающих коэффициент усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. Действительно, коэффициент передачи с ООС  , (2.4) где  – глубина отрицательной ОС (или сквозная возвратная разность), которая показывает, во сколько раз уменьшается сквозной коэффициент усиления при введении обратной связи. Поскольку при построении усилительных устройств применяют преимущественно ООС, то в дальнейшем величину  , будем называть просто «глубина ООС».Тем не менее, не смотря на уменьшение сквозного коэффициента усиления, ООС приводит к улучшению большинства качественных показателей усилителей. Уменьшение же коэффициента усиления, вызываемого ООС, может быть скомпенсировано введением дополнительных каскадов усиления. При произвольных фазах напряжения UОС и ЕИСТ обратная связь будет комплексной (КОС). Это происходит в том случае, если  или  будут зависеть от частоты.В этом случае выражение для сквозной глубины отрицательной обратной связи и сквозного коэффициента усиления записывают в комплексном виде:  ;  . (2.5) В соответствие с формой реальной ФЧХ, (рис. 1.14), в области средних частот фазовыми искажениями можно пренебречь и обратная связь в усилителе будет чисто отрицательной. На нижних и верхних частотах возникает дополнительный фазовый сдвиг. Тогда обратная связь становится комплексной. Не исключено, что величина этого фазового сдвига на некоторой fн (или fв) составит 180 и тогда возникнет положительная ОС. Поскольку при комплексной ОС фаза вектора петлевого усиления  180, то по правилу сложения векторов результирующее входное напряжение UВХ ОС (и, следовательно, коэффициент усиления  ) будут больше, чем при ООС (рисунок 2.3в). Более подробно комплексная ОС будет рассмотрена в разделе «Влияние отрицательной обратной связи на частотные характеристики».  Рисунок 2.3 – Векторные диаграммы для различных видов ОС Таблица 2.1 – Достоинства и недостатки видов обратной связи
2. По конструктивным особенностям и способу организации различают ОС: внутреннюю; паразитную; внешнюю. Внутренняя ОС возникает в усилительных элементах вследствие особенностей их физических свойств и конструкции. Паразитная ОС, возникает вследствие емкостных, индуктивных и других паразитных связей между последующими и предыдущими цепями усилителя (например, по цепи питания, учитывая ненулевое внутреннее сопротивления источника питания по переменному току). Внутренние и паразитные обратные связи произвольно изменяют (как правило, ухудшая) показатели усилителя и снижают его устойчивость. Внешняя (полезная или специально вводимая) ОС вводится в схему усилителя преднамеренно для улучшения или изменения его свойств и качественных показателей. 3. По числу охватываемых обратной связью каскадов усиления ОС может быть: местной; общей; однопелевой; многопетлевой. Если ОС охватывает один каскад, ее называют местной ОС, если она охватывает два или более каскадов усиления, ее называют общей ОС. Если усилитель имеет только одну (местную или общую) цепь ОС, она называется однопетлевой. При комбинации местных и общих цепей обратной связи, в том случае, когда эти цепи либо независимы друг от друга, либо полностью или частично перекрываются, ОС называют многопетлевой. На рисунке 2.4 показан усилитель с многопетлевой ОС, состоящей из цепи местной ОС (β2) и цепи общей ОС (βобщ).  |