2.5 Обратные связи в усилителяхПО2024

1. Обратные связи в усилителях

Обратная
связь (ОС) – подача части энергии с
выхода усилителя или его промежуточного звена на
вход.
Обратные связи могут возникать самопроизвольно
(паразитные ОС), они обычно приводят к
ухудшению параметров электронных устройств.
Паразитные ОС могут появляться за счет наводок
между элементами схем или по цепям питания.
От паразитных ОС стараются избавиться.
В электронных устройствах могут использоваться
специально созданные цепи обратных связей,
которые улучшают параметры устройств.

2.

Блок-схема усилителя с обратной связью:
Ku
Ku
U вых
коэффициен т _ усиления _ с _ ОС
U вх
U в ых
коэффициен т _ усиления _ без _ ОС
U1
U ос
коэффициен т _ передачи _ в _ цепи _ ОС
U вых
U ОС напряжение _ обратной _ связи
k угол _ сдвига _ фаз _ в _ усилителе
угол _ сдвига _ фаз _ в _ цепи _ ОС

3. Классификация ОС

1. По способу снятия сигнала ОС:
1.1 ОС по напряжению – напряжение
обратной
связи
пропорционально
выходному напряжению Uос ~ Uвых.
Блок-схема ОС по напряжению

4.

1.2 ОС по току – напряжение обратной связи
пропорционально выходному току Uос ~ Iвых.
Блок-схема ОС по току
U ОС I вых Z ос
Выделяют
ОС по постоянному току и ОС по
переменному току.
ОС
по постоянному току используют для
температурной стабилизации работы каскадов.
ОС
по переменному току используют для
регулировки коэффициента усиления на переменном
токе и расширения динамического диапазона
усилителей.

5.

1.3
Смешанная ОС – напряжение сигнала
обратной
связи
пропорционально
и
выходному току и напряжению.

6.

2. По способу введения сигнала ОС:
2.1
Последовательная
ОС
–
при
последовательной ОС на входе усилителя
происходит
алгебраическое
сложение
напряжений U1 = Uвх ± Uос.
Такая
связь
реализуется
путем
последовательного подключения входной
цепи и цепи ОС.
Блок-схема последовательной ОС

7.

2.2 Параллельная ОС – при параллельной ОС
входное напряжение и напряжение обратной
связи равны Uвх = Uос = U1, при этом
происходит алгебраическое сложение токов
входной цепи и цепи ОС: I1 = Iвх ± Iос.
Параллельная
ОС
реализуется
путём
параллельного подключение входной цепи и
цепи ОС.
Блок-схема параллельной ОС

8.

2.3
Комбинированная ОС – одновременная
реализация параллельной и последовательной
ОС.

9.

3. В зависимости от частотных свойств цепи ОС:
3.1 Частотно независимая ОС – когда
коэффициент передачи цепи ОС не зависит от
частоты β = const.
3.2 Частотно зависимая ОС – когда коэффициент
передачи цепи ОС зависит от частоты β(f) ≠
const.
* Частотно зависимые ОС можно использовать
для корректировки АЧХ.

10.

4. По суммарному фазовому сдвигу φk + φβ в цепи
усилителя и ОС:
4.1 Положительная ОС (ПОС) – суммарный фазовый
сдвиг составляет 0 или 360o.
В этом случае сигнал обратной связи синфазен
входному сигналу и результирующий сигнал
усиливается: U1 = Uвх + Uос.
4.2 Отрицательная ОС (ООС) – суммарный фазовый
сдвиг составляет 180 o.
В этом случае сигнал обратной связи приходит в
противофазе входному сигналу и результирующий
сигнал ослабляется: U1 = Uвх - Uос.

11.

Способ определения вида ОС – произвести
мысленные опыты короткого замыкания (КЗ)
и холостого хода (ХХ) на входе и на выходе:
Вид ОС
ХХ (обрыв
нагрузки)
КЗ (нагрузка
закорочена)
По напряжению
Есть Uос
Нет Uос
По току
Нет Uос
Есть Uос
Смешанная
Есть Uос
Есть Uос
Вид ОС
ХХ (обрыв
источника
сигнала)
КЗ (источник
сигнала
закорочен)
Последовательная
Uос не действует
Uос действует
Параллельная
Uос действует
Uос = 0
Комбинированная
Uос действует
Uос действует

12.

Определить тип обратной связи
Посл. ООС по
напряжению
Паралл. ООС по
напряжению
Паралл. ООС по
напряжению
Посл. ООС по
напряжению
Цепь ОС

13. Влияние ОС на коэффициент усиления усилителей

Найдём выражение для
коэффициента
усиления Kuβ
усилителя с ОС.
Ku
U в ых
?
U вх
U1 U вх U ос U вх U1 U ос
Ku
U в ых
U1 U ос
Общее выражение для коэффициента
усиления с обратной связью.

14.

При отрицательной ОС имеем:
U1 U вх U ос U вх U1 U ос , тогда
U вых
Ku
U вых
Ku
Ku
1
U1
U вых
U
U
U
U
U
U1 U ос U1 U ос U1
1
ос 1 ос 1 ос вых
U1 U1
U1
U1 U вых
Ku
Ku
1 Ku
- Коэффициент усиления усилителя с
отрицательной обратной связью (ООС).
(1 K u ) 1 K u K u
Т.е. ООС уменьшает коэффициент усиления!
(1 Ku ) - Глубина ОС
K u - Петлевое усиление

15.

При положительной ОС имеем:
U1 U вх U ос U вх U1 U ос , тогда
* Проведите преобразования самостоятельно
Ku
Ku
1 Ku
- Коэффициент усиления усилителя с
положительной обратной связью (ПОС).
(1 K u ) 1 K u K u
Т.е. ПОС увеличивает коэффициент усиления (по
напряжению).
* Увеличение коэффициента усиления с помощью ОС не всегда
является благоприятным, т.к. при этом уменьшается стабильность
усилителя и он может самовозбудиться. ПОС используют в основном в
автоматических системах для ускорения срабатывания электронных
схем, а также в электронных генераторах (см. лекцию «Генераторы»).

16.

*
Отрицательная ОС используется очень
широко, поскольку позволяет улучшить
стабильность работы электронных схем.
Покажем это на примере усилителя:
Найдём относительную нестабильность
коэффициента усиления усилителя с ООС:
dK u Относительная нестабильность коэффициента усиления
dq
K u
Найдём дифференциал dK u ?
Ku dKu (1 Ku ) Ku d (1 Ku )
dKu d
2
(1 Ku )
1 Ku

17.

dK u (1 K u ) K u d (1 K u ) dK u dK u K u K u dK u
dK u
2
(1 K u )
(1 K u ) 2
dK u
dK u
(1 K u ) 2
Подставим в исходное
выражение, учитывая,
что
Ku
Ku
1 Ku
dK u (1 K u ) 2
dK u K u
dq
dq
, где
K u
K u (1 K u )
(1 K u ) (1 K u )
dK u
dq - Относительная нестабильность коэффициента
усиления без ОС.
Т.к. (1+Ku·β)>1 то dqβ-< dq , т.е. ООС
уменьшает относительную нестабильность
коэффициента усиления.

18. Влияние ОС на сопротивления усилителя

Входное сопротивление:
последовательная ООС увеличивает входное
сопротивление.
Параллельная ООС уменьшает входное
сопротивление.
Последовательная
Параллельная

19.

Выходное сопротивление:
ООС по току увеличивает выходное
сопротивление.
ООС по напряжению уменьшает выходное
сопротивление.
ОС по току
ОС по напряжению

20. Практическое применение Обратных связей

1. Применение ООС.
Рассмотрим пример применения ООС для
температурной стабилизации рабочей точки
транзисторного усилителя.
Т.к.
основой
транзисторов
является
полупроводниковый материал (кремний или
германий), то параметры транзистора
существенно изменяются под действием
температуры, что может отрицательно
сказаться на работе каскадов.

21.

Схема эмиттерной термостабилизации
В схеме используется последовательная
отрицательная ОС по постоянному току
Элементы термостабилизации: R1, Rэ, Сэ.

22.

Принципы работы:
• По II правилу Кирхгофа для контура БЭ-Rэ-R1-БЭ: Uбэ+IэRэ
- I1R1=0 =>
Uбэ= I1R1 – IэRэ. I1≈ const при I1 >> Iб , Iэ~Iк~T
При возрастании температуры T токи Iэ, Iк также возрастают =>
=> Uбэ – падает => Iэ, Iк – падают (рабочая точка
стабилизируется).

23.

* Конденсатор Сэ устраняет отрицательную
обратную связь по переменному току,
которая приводит к уменьшению усиления
переменного сигнала.
За
счет
зависимости
емкостного
сопротивления от частоты (Xc=1/(ωCэ))
подбором Cэ можно корректировать АЧХ
усилительного каскада.
Также ООС широко применяют в схемах с
операционными усилителями (см. лекции по
ОУ).

24.

Схема
коллекторной термостабилизации
Используется параллельная отрицательная
ОС по напряжению.
Реализуется путем изменения подключения
резистора смещения RБ.

25.

Принципы работы:
• Iб=Uкэ/(Rб+ rбэ )≈Uкэ /Rб
• Uкэ~ rкэ~ 1/T
• При
повышении
T
сопротивление
rкэ
падает => Uкэ также
падает.
• Падение Uкэ приводит к падению тока Iб и
стабилизации рабочей точки транзистора.
• Условие работы схемы: Rб >> rбэ >> 100 Ом

26.

*
В схеме коллекторной стабилизации
действует плохо устранимая отрицательная
обратная связь по переменному току (выход
через резистор Rб соединяется со входом).
Из-за ООС по переменному току усиление
такого каскада падает.

27.

Схема комбинированной термостабилизации:
Использует комбинацию 1й и 2й схемы. Обладает
наилучшими параметрами.

28.

*
Также возможно использовать для
термостабилизации транзисторных схем
другие
термочувствительные
приборы:
диоды, терморезисторы.
Здесь используется отрицательная обратная связь по температуре.
При повышении температуры сопротивления Rk и VD падают, что
приводит к уменьшению напряжения смещения на базе.

29.

2. Применение ПОС.
Рассмотрим применение положительной
обратной связи в электронных генераторах.
Для этого запишем формулу для
коэффициента усиления усилителя с ПОС.
Ku
1 Ku
Пусть _ Ku 1 _ тогда
U вых
U вх
Это можно интерпретировать так: даже при нулевом
напряжении на входе напряжение на выходе не будет
равно нулю, т.е. усилитель перейдёт в режим
электронного генератора (см. лекции по ЭГ).
Ku
Ku
Ku
Ku
K
u
1 1 0

30. Вопросы

1. Дайте определение обратной связи.
2. Нарисуйте блок-схему усилителя с обратной связью.
3. Приведите классификацию обратных связей.
4. Приведите формулу коэффициента усиления усилителя с
положительной и отрицательной обратной связью.
5. Как влияет обратная связь на стабильность работы усилителя?
6. Как влияет обратная связь на входное и выходное сопротивление
усилителя?
7. Приведите схему эмиттерной термостабилизации усилительного
каскада. Какой вид обратной связи в ней используется?
8. Приведите схему коллекторной термостабилизации усилительного
каскада. Какой вид обратной связи в ней используется?
9. Приведите примеры использования отрицательной и положительной
обратной связи.
10. Научитесь определять вид обратной связи на принципиальных схемах.