Виды обратной связи в усилителях
Обратная связь — это связь между электрическими цепями, при которой часть энергии выходного сигнала передается на вход (то есть из цепи с высоким уровнем сигнала в цепи с более низким).
Обратная связь оказывает заметное воздействие на характеристики и свойства усилителя. Данную связь вводят в схему усилителя с целью изменение ее свойств в необходимом направлении — внешняя обратная связь. Иногда обратная связь может возникнуть самопроизвольно. Например, причиной этого может быть физические особенности усилительного элемента — внутренняя обратная связь. Паразитная обратная связь появляется из-за паразитных связей (индуктивных, емкостных и т.п.).
Статья: Обратная связь в усилителях
Усилитель — это устройство, которое предназначено для усиления интенсивности (мощности) сигнала, без изменения его вида.
Часть схемы усилителя и обратная связь при соединении между собой образуют замкнутый контур, который называется петлей обратной связи. Пример схемы такой связи изображен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Петля обратной связи. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
K – коэффициент усиления усилителя; В — коэффициент передачи цепи обратной связи.
При конструировании и проектировании принимают ряд мер, направленных на ликвидацию или ослабление паразитной обратной связи. К основным способам относятся:
- Организация параллельной обратной связи по выходу (обратная связь по напряжению). Данный способ подразумевает снятие энергии сигнала с выхода схемы параллельно нагрузке.
- Организация последовательной обратной связи по выходу. (обратная связь по току). Данный способ подразумевает снятие энергии сигнала с выход схемы последовательно нагрузке. В этом случае напряжение обратной связи прямо пропорционально выходному току.
- Организация комбинированной обратной связи. Данный способ подразумевает использование комбинации последовательной и параллельной обратных связей. Такой способ в основном используется в многоканальных телекоммуникационных системах.
По количеству петель различают многопетлевые и однопетлевые обратные связи. Если в петле обратной связи, которая охватывает весь усилитель, присутствуют петли, охватывающие отдельные части и каскады усилителя, то данные цепи называются местными петлями обратной связи. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей изображены на рисунке ниже.
Рисунок 2. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 3. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Влияние обратной связи на коэффициент усиления по напряжению и нестабильность усиления
Для оценки и анализа воздействия обратной связи на коэффициент усиления по напряжению будет рассмотрен последовательный способ введения сигнала, изображенный на рисунке ниже.
Рисунок 4. Последовательный способ введения сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для начала предполагается, что входное сопротивление (Zвх) бесконечно велико, поэтому:
Uвх. ист — Uвх. ос + Uсв = 0
Uвх. ист — сигнал источника; Uвх. ос — результирующий сигнал на входе усилителя; Ucв — выходное напряжение.
Таким образом результирующий сигнал на входе усилителя можно рассчитать по следующей формуле:
Uвх. ос = Uвх. ист + Ucв.
Выходное напряжение усилителя вычисляется по формуле:
Uвых. ос = К • Uвх. ос,
где, К — коэффициент усиления по напряжению.
Из данного уравнения понятно, что коэффициент усиления не изменяется, однако, по отношению к сигналу источника видоизменяется:
Uвых. ос = Кос • Uвх. ист.
Так как левые части двух выше представленных уравнений равны, то можно записать:
К / Кос. = Uвх. Ист / Uвх. ос. = F
где, F - возвратная разность.
И становится понятно, что коэффициент усиления по напряжению изменяется пропорционально изменению входного сигнала. Учитывая, что:
Uвх. Ист = Uвх. ос – Uсв. и К /Кос. = Uвх. ист. / Uвх.ос. = F
Получаем:
F = (Uвх.ос. – Ucв.) / Uвх.ос. = 1 - (Uсв. / Uвх.ос.) =1 + Т
где Т — возвратное отношение.
Возвратное отношение является комплексной величиной, которая равна (после преобразования предыдущего уравнения):
Т = -(Uсв. / Uвых.ос.) • (Uвых.ос. / Uвх.ос. = -В • К
где В — коэффициент передачи цепи обратной связи.
Модуль возвратного отношения характеризует изменение сигнала при прохождении им цепи обратной связи. Если возвратная разность больше единицы, то цепь называют отрицательной, а если меньше — положительной. Если цепь обратной связи отрицательная, то коэффициент усилителя с обратной связью будет уменьшаться:
Kос. = К /|F|= К / (1 + В • К)
Если цепь обратной связи положительная, то коэффициент усиления усилителя будет расти:
Кос. = К / |F|= К / (1 – В • К)
В групповых усилителях используется комбинированная глубокая отрицательная обратная связь (возвратная разность намного больше единицы), в таком случае коэффициент усиления усилителя будет равен:
Кос. = К / (1 + В • К) = 1 / В
Заметное влияние на коэффициент усиления оказывают дестабилизирующие факторы, к которым относятся:
- Изменение влажности.
- Старение усилительных элементов.
- Изменение температуры.
- Старение деталей схемы.
Количественное изменение коэффициента усиления из-за воздействия дестабилизирующих факторов характеризуют величину без обратной связи:
Dq = dK / К
где, dK – дифференциал коэффициента усиления усилителя.
Нестабильность с обратной связью вычисляется по формуле:
dqсв = dKсв / Ксв
Подставляя в формулу для расчета коэффициент усиления при отрицательной обратной связи и продифференцировав его, получаем:
Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Таким образом, ясно, что отрицательная обратная связь стабилизирует усиление усилителя, снижая его нестабильность.
