Обратная связь в усилительных устройствах.. U вх св усилитель без обратной связи, коэффициент которого
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
Обратная связь в усилительных устройствах. Явление передачи (частичной или полной) выходного сигнала на вход устройства называется обратной связью. Вход Выход U вх U вых K U св U вх св усилитель без обратной связи, коэффициент которого - усилитель обратной связи и - коэффициент передачи цепи обратной связи U вх U вых вых вх U K U U св U вхсв св вхсв U U В общем случае все параметры являются комплексными, нов рабочем диапазоне частот их зачастую полагают действительными числами. - входное напряжение цепи обратной связи, которое может быть равно либо всему значению либо части - выходное напряжение цепи обратной связи, поступающее на вход усилителя. вхсв U вых U вых U св U Электроника и МПТ Рисунок - Структурная схема усилителя с обратной связью. 1 Виды обратной связи. Общий случай) Внутренняя обратная связь. Обусловлена физическими свойствами и конструкцией реальных усилительных элементов (биполярный транзистор, однопереходной транзистор (двухбазовый диод, динистор, тиристор, туннельный диод и т. д) Паразитная обратная связь Обусловлена связью между входными и выходными цепями устройства через паразитные емкости и индуктивности. Данная связь является весьма вредной, поскольку сильно ухудшаются свойства усилителя и практически не поддается учету. Данную связь всеми силами стараются ослабить, тщательно продумывая конструкцию. Полезная обратная связь (или просто обратная связь – ОС. Это специально создаваемая ОС через специально применяемые элементы связи с целью большинство (а лучше все) параметров усилителя лучше. 2 Петля ОС может охватывать как весь усилитель, таки один или несколько каскадов многокаскадного усилителя. ОС может быть организована как по постоянной составляющей сигнала, таки попеременной, в этих случаях ее называют ОС по постоянному току и ОС попеременному току, соответственно. Если ОС организована только в узком диапазоне частот, то ее называют частотно – избирательной ОС. Если совпадает по фазе со входным напряжением, то такая связь называются положительная ОС (ПОС. Если напряжение обратной связи противофазно входному, то связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Наибольшее распространение на практике получила ООС, улучшающая почти все основные параметры усилителя. ПОС – также применяется на практике при создании схем различных генераторов. Замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя, которую должна цепь охватывать называется петлей обратной связи Классификация видов ОС в зависимости от способа получения сигнала ОС различают обратную связь по напряжению потоку комбинированную. Обратная связь по напряжению или параллельная по выходу U вх U вых K U вх св 1 U св 3 3 1 2 2 Z н Z н U вх U вых K U вх св 1 U св 3 3 1 2 2 Z 1 св Z 2 св На вход цепи обратной связи может поступать либо все выходное напряжение, либо его часть. Главный признак рассматриваемой цепи она исчезает при коротком замыкании (КЗ) на выходе. Классификация видов ОС в зависимости от способа получения сигнала ОС Рисунок - структурная схема усилителя с ОС по напряжению Рисунок - структурная схема усилителя с ОС по напряжению 4 Обратная связь потоку или последовательная по выходу. U вх U вых K U вх св 1 U св 3 3 1 2 2 Z н Z св I вых прямопропорционально Главный признак данная связь исчезает при ХХ. вхсв U вых I Классификация видов ОС в зависимости от способов подключения цепи ОС ко входу. Последовательная (по входу. U вх K 1 U св 3 г 4 E г U В данном случае включается последовательно с сигналом, действующим на выходе источника сигнала, следовательно, связь пропадает при разрыве цепи источника сигнала. св U Очевидно, что - алгебраическое сложение по 2му закону Кирхгофа. вх св U U U Рисунок - структурная схема усилителя с ОС потоку Рисунок - структурная схема усилителя с последовательной ОС 5 Параллельная (по входу. U вх K 1 U св 3 г 4 I вх I св I св E г I U Видно, что подводится ко входу усилителя, те. следовательно, признаком данной связи является то, что она пропадает при закорачивании источника входного сигнала. В данном случае происходит алгебраическое сложение по 1му закону Кирхгофа знак зависит от типа связи. вх св I I I Рисунок - структурная схема усилителя с параллельной ОС 6 Влияние обратной связи на свойства усилительных каскадов Влияние ОС на коэффициент усиления. Рассмотрим на примере усилителя с последовательной обратной связью по напряжению. 4 4 E г U U вх U вых K 1 U св 3 3 1 2 2 R н R г I г = I вх R вх I н = I вых + _ + + _ + + _ (+) (_) _ _ В общем случае все параметры усилителя носят комплексный характер, однако в рабочей полосе частот их можно полагать действительными числами. Усилитель и цепь ОС являются линейными Рисунок – структурная схема усилителя с ОС 7 При наличии ОС под коэффициентом усиления по напряжению будем понимать вых U Kос U U - напряжение на зажимах источника сигнала. вых вых Г Г U U U Ku Kос E U E вх вх Г R R R - коэффициент передачи вцепи ОС. ос вых ос вых вх вх U U U K U U U K - петлевое усиление Полярность и получается такой же как у . U вх U Г E При отрицательной обратной связи (ООС) противофазно и , если синфазно и , то это ПОС. св U , Г E U вх U св U , Г E U вх U Влияние ОС на коэффициент усиления. 8 Последовательная ООС. Для ООС полярность на рисунке показана без скобок. По второму закону Кирхгофа для входной цепи справедливо ос U вх ос вх ос U U U U U U Видно, что использование ООС уменьшает входное напряжение усилителя. 1 (1 ) вых вых вых ос вх ос вх вх U U U K Kос U U U U K U U ос- коэффициент усиления - усилителя с ОС. K - коэффициент усиления без ОС. Видно, что использование ООС вызывает уменьшение коэффициента усиления усилителя враз по сравнению сего значением без ОС. (1 ) K (1 ) K - глубина ОС. Если то единицей в знаменателе можно пренебречь, и тогда 1 ( ос Видно, что зависит только от свойств цепи обратной связи, а не от свойств усилителя. ос 4 E г U U вх U вых K 1 U св 3 3 1 2 2 R н R г I г = I вх R вх I н = I вых + _ + + _ + + _ (+) (_) _ _ Рисунок – структурная схема усилителя с ОС 9 Если цепь ОС составлена только из резисторов, то - действительное число. (-) говорит о том, что выходное напряжение противофазно U вх. Это необходимо для того, чтобы ОС была отрицательной, т.к. цепь ОС фазы не меняет. ( ос Последовательная ПОС. Для того чтобы ОС стала ПОС, нужно изменить полярность полярность на рисунке - в скобках. Для входной цепи справедливо по второму закону Кирхгофа ос U вх ос U U U Видно, что ПОС увеличивает входное напряжение. Воспользуемся выражением для коэффициента ОС, полученным ранее ( ) 1 ( ) ( ос Поскольку в нашем случае связь положительная, коэффициент усиления самого усилителя должен быть действительным числом, те. вместо (Кв этом выражении надо использовать Кос 4 E г U U вх U вых K 1 U св 3 3 1 2 2 R н R г I г = I вх R вх I н = I вых + _ + + _ + + _ (+) (_) _ _ Рисунок – структурная схема усилителя с ОС 10 Видно, что коэффициент усиления усилителя с ПОС возрастает по сравнению со значением без ОС. Данное возрастание существенно зависит от величины . При приближении коэффициент усиления и усилитель самовозбуждается, превращаясь в генератор. K 1 K ос Данный режим является запрещенным для усилительных устройств. При самовозбуждении усилитель теряет работоспособность, поскольку паразитный входной сигнал существенно превышает полезный. В данном случае условием самовозбуждения усилителя является равенство 1 K ПОС специально используется в генераторах. Влияние последовательной ООС на стабильность коэффициента усиления. В общем случае значение коэффициента усиления усилителя весьма сильно меняется пол воздействием внешних дестабилизирующих факторов 1. температура окружающей среды 2. влажность 3. разброс параметров 4. старение элементов 5. замена компонентов при ремонте. Последовательная ПОСВ некоторых случаях к стабильности коэффициента усиления предъявляются весьма жесткие требования, например, в измерительных устройствах нестабильность может составлять лишь доли процента. Стабилизация коэффициента усиления усилителя осуществляется, как правило, с помощью последовательной ООС по напряжению. Механизм стабилизации Под действием дестабилизирующих факторов вых ос вых вх ос вых вх U U U U U U U K U Такой механизм имеет место при эммитерной стабилизации по постоянному току. Видно, что наличие последовательной ООС по напряжению вызывает стабилизацию выходного напряжения усилителя, а следовательно и коэффициент усиления всего тракта усиления. Известно, что при наличии последовательной ООС по напряжению выражение для коэффициента усиления определяется выражением ( ос ; если β·K˃˃1, то ( ) 1 ( ос Минус говорит о том, что переворачивается фаза . вх U Влияние последовательной ООС на стабильность коэффициента усиления. 12 Очевидно, что чем больше , тем выше стабильность коэффициента усиления усилителя. Видно, что будет определяться лишь коэффициентом передачи цепи ОС - β, который является весьма стабильной величиной в случае, когда цепь ОС составлена только из пассивных элементов, например, резисторов. K Kос Другое пояснение. Т.к. усилитель строится из активных элементов (транзисторов, ОУ), ток сильно изменяется по действием дестабилизирующих факторов. Но при β·K ≫1 , определяется только β. Если цепь ОС составлена из высокостабильных элементов (резисторов, конденсаторов, то и будет весьма стабильной величиной. Kос Тенденция: чем выше стабильность коэффициента усиления , тем меньше его величина Влияние последовательной ООС на стабильность коэффициента усиления. 13 Влияние последовательной ООС на входное сопротивление усилителя. Под входным сопротивлением усилителя без ОС понимают сопротивление, нагружающее источник сигнала на клеммах (4-4), те вх вх вх U z I При наличии ОС под входным сопротивлением усилителя понимается тоже самое сопротивление, нагружающее источник сигнала на зажимах (4-4) вхос Г вх U U z I I 4 4 E г U U вх U вых K 1 U св 3 3 1 2 2 R н R г I г = I вх R вх I н = I вых + _ + + _ + + _ (+) (_) _ _ Рисунок – структурная схема усилителя с ОС При последовательной ООС по напряжению по второму закону Кирхгофа для входной цепи справедливо вх ос U U U 14 Перепишем выражение для входного сопротивления с учетом полученного выражения (1 ) (1 ) (1 ) вх ос вх ос ос вых вхос вх вх вх вх вх вх вых вх U U U U U U U z z z K I I I U U U Если цепь ОС выполнена из пассивных элементов, то β является положительным действительным числом, те. модулем. При составлении уравнения по второму закону Кирхгофа для входной цепи знак коэффициента передачи учтен, т.к. рассматривается именно ООС по напряжению последовательная. Следовательно, в выражении в скобках вместо комплексов можно поставить модули , , тогда K K (1 ) вхос вх z z K Видно, что последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя в глубину ОС, что очень хорошо. Исследования показали, что любая последовательная ООС ( и потоку и по напряжению) увеличивает входное сопротивление, а параллельная, наоборот, уменьшает. 4 4 E г U U вх U вых K 1 U св 3 3 1 2 2 R н R г I г = I вх R вх I н = I вых + _ + + _ + + _ (+) (_) _ _ Рисунок – структурная схема усилителя с ОС Влияние последовательной ООС на входное сопротивление усилителя. 15 Влияние последовательной частотно – независимой ОС на частотные искажения усилителя АЧХ усилителя имеет вид 0 K K ср K ср ос н в П П ос нос вос 2 1 K ср/ 2 K ср ос На верхних и нижних частотах наблюдается завал. Известно, что определяется выражением ос ос Видно, что во всем диапазоне частот коэффициент усиления уменьшается в глубину связи. Глубина связи есть функция коэффициента усиления усилителя без ОС чем больше К , тем больше И, следовательно, наблюдается большее снижение коэффициента усиления : (1 ) K ос K (1 ) ос K K K Поэтому характеристика 2 лежит ниже 1. На краях полосы пропускания, где наблюдается снижение коэффициента усиления усилителя , глубина ОС ослабевает, и снижение коэффициента усиления получается меньше, чем на средних частотах. Это приводит к существенному расширению полосы пропускания усилителя с ОС по сравнению с усилителем без ОС. ос K Рисунок – АЧХ усилителя 16 Другими словами, введение последовательной ООС ведет к уменьшению частотных искажений. ООС в усилителе способствует уменьшению выходного сопротивления, снижает собственные помехи и нелинейные искажения, те. влияет положительно на свойства и характеристики усилителя. Влияние последовательной частотно – независимой ОС на частотные искажения усилителя 17 Устойчивость усилителей с ОС. Для улучшения большинства параметров усилителя в большинстве случаев широко используется ООС различного типа. Данная связь в рабочей полосе частот рассчитывается как отрицательная, на краях частотного диапазона, те. в области верхних и нижних частот паразитные параметры создают дополнительные фазовые сдвиги, в результате чего ООС может превратиться в ПОСВ этом случае усилитель самовозбуждается, те. превращается в автогенератор вырабатывающий самопроизвольное паразитное напряжение. Работоспособность усилителя нарушается, поскольку весь усилительный тракт загружен паразитными колебаниями. где целое число, n=1,2,3… 1 K 0 2 K Ku n Для возбуждения усилителя необходимо выполнение двух условий Баланс фаз Баланс амплитуд Рисунок – диаграмма устойчивости усилителя 18 Самовозбуждение усилителя является запрещенным режимом, поэтому при проектировании разработчик должен сделать так, чтобы баланс фаз и баланс амплитуд не выполнялись совместно во всем теоретически возможном диапазоне частот (0÷∞) . Способность усилителя нормально функционировать в рабочем диапазоне частот во всех возможных режимах эксплуатации называется устойчивостью усилителя возможные режимы включение питания, подключение нагрузки, выключение нагрузки, замена компонентов, работа в заданном диапазоне температурит. д. Для предотвращения самовозбуждения на практике используют режим 1 K 0 180 K Чтобы усилитель был надежно устойчив необходимо обеспечивать запас устойчивости по фазе - ɑ. 19 Практические рекомендации по использованию ООС в усилительных устройствах Петля ОС должна захватывать минимально возможное число каскадов, причем использование общей ОС нежелательно вообще. Цепи ОС целесообразно строить на резисторах, дающих минимальные паразитные фазовые сдвиги. Целесообразно использовать в усилительных каскадах корректирующие цепи цепи коррекции, которые составляются либо из конденсаторов либо из конденсаторов и резисторов. Применение корректирующих цепей вызывает, как правило, снижение коэффициента усиления усилителя, и с другой стороны резко снижают полосу усиления усилителя (операционные усилители. Современная элементная база, как правило, снабжена внутренними цепями коррекции. 20 |