И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

• Название: Электроника в вопросах и ответах
• Автор: И. Хабловски
• Издательство: "Радио и связь"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 1984

В книге популярно в форме вопросов и ответов объясняются физические основы электроники, электронные компоненты и схемы, особенности их применения. Удачно сочетается широта тематики — от дискретных полупроводниковых приборов до интегральных микросхем с простотой и наглядностью изложения материала.

Для широкого круга читателей.

---

Что такое отрицательная обратная связь?

Отрицательная обратная связь (ООС) — это связь, при которой фаза напряжения, подведенного с выхода на вход схемы, является противоположной по сравнению с фазой входного напряжения.

Каково влияние ООС на усиление усилителя?

Отрицательная обратная связь вызывает уменьшение коэффициента усиления усилителя. Это следует из того, что в схеме с ООС поданная на вход часть выходного напряжения имеет фазу, противоположную фазе входного напряжения, и поэтому вычитается из него. В результате на входе усилителя действует меньшее напряжение, чем при отсутствии ООС. При этом выходное напряжение также имеет меньшее значение. Поскольку источник сигнала не охвачен цепью ОС, то при том же самом напряжении источника получаем меньшее выходное напряжение, т. е. усиление схемы уменьшается.

К аналогичному выводу приходим, анализируя основное выражение для коэффициента усиления схемы с ОС

В случае ООС знак коэффициента βf отрицателен. В связи с этим формула для коэффициента усиления усилителя с ООС изменяется и принимает следующий вид:

Предположим, что имеется усилитель, коэффициент усиления которого без ОС составляет 100, и вводится ОС βf = 0,1. Подставляя эти значения в уравнение, получаем

К'u = 100/(1 + 0,1·100) = 100/11 = 9,09

и, следовательно, значительное уменьшение коэффициента усиления.

Вызывает ли ООС расширение полосы пропускания усилителя?

Да. Использование ООС в усилителе вызывает уменьшение нижней граничной частоты fн и увеличение верхней граничной частоты fв. Новые граничные частоты f'н и f'в  зависят, как и коэффициент усиления, от выражения (1 + βfКu). Можно показать, что

f'н = fн/(1 + βfКu)

f'в = fв·(1 + βfКu)

Если усилитель имеет коэффициент усиления 40 и верхнюю граничную частоту 8 кГц, то после применения ООС с коэффициентом βf = 0,05 получаем новый коэффициент усиления, равный 40/(1 + 2) или 13,3, а также граничную частоту, равную 8·(1 + 2), т. е. 24 кГц. Видно, что коэффициент усиления усилителя снизился в 3 раза, но в такое же число раз возросла ширина полосы. Отсюда следует важный вывод, имеющий общий характер: произведение коэффициента усиления на ширину полосы усилителя (т. е. произведение GB или KΔf) является постоянной величиной.

Можно ли с помощью ООС формировать амплитудную характеристику усилителя?

Да. Отрицательная обратная связь позволяет получить такие амплитудные характеристики которые было бы трудно получить в схемах без ОС. Например, если хотим, чтобы амплитудная характеристика возрастала с ростом частоты, достаточно использовать цепь ОС, в которой коэффициент βf убывает с частотой. Вместе с уменьшением коэффициента βf уменьшается ОС и в результате усиление возрастает. Примером реализации такой схемы может служить усилитель, в котором сигнал ОС снимается с конденсатора в резистивно-емкостном делителе.

Оказывает ли влияние ООС на нелинейные искажения, помехи и шумы, вносимые усилителем?

Отрицательная обратная связь в принципе не улучшает отношение сигнал/шум, поскольку шумы или помехи, возникшие на входе схемы, уменьшаются в той же степени, что и полезный сигнал.

В то же время ООС уменьшает влияние паразитных сигналов, возникших внутри цепи ОС, в том числе гармоник. Влияние их уменьшается тем сильнее, чем ближе к выходу усилителя они появляются. Содержание гармоник hf усилителя с ОС и КГf — без ОС связаны зависимостью

Кроме того, ООС вызывает линеаризацию динамической характеристики усилителя.

Какое влияние оказывает ООС на стабильность усиления?

Отрицательная обратная связь уменьшает чувствительность коэффициента усиления к изменению параметров элементов, входящих в состав усилителя, питающих напряжении и внешних факторов. Эта чувствительность уменьшается в (1 + βfКu) раз. Иначе говоря, стабильность коэффициента усиления улучшается в (1 + βfКu) раз по сравнению со стабильностью усилителя без ООС. В предельном случае сильной ООС, когда βfКu >> 1, коэффициент усиления усилителя выражается простой зависимостью К'u = 1/βf. Из этой зависимости следует, что коэффициент усиления перестает зависеть от активных элементов, используемых в усилительном тракте, и, следовательно, не зависит от изменений их характеристик, свойств элементов (за исключением цепи ОС), а также колебаний напряжения питания.

Результирующий коэффициент усиления усилителя определяется лишь параметрами пассивных элементов цепи ОС. Если обеспечивается стабильность этих элементов, стабильность коэффициента усиления может быть очень высокой.

Влияет ли ООС на входное и выходное сопротивления усилителя?

Да, поскольку подключение к усилителю цепи ООС изменяет условия работы усилителя по входу и выходу. Свойства схемы с ОС, в том числе входное и выходное сопротивления, зависят от способа снятия обратного сигнала с выхода схемы и его подачи на вход. При рассмотрении схем с ОС увидим, как изменяются эти сопротивления.

Может ли ОС охватывать более одного каскада?

Да. Хотя чаще всего используется так называемая локальная связь, охватывающая один каскад. Во многих усилителях применяются цепи ОС, в которых сигнал ОС, полученный в последнем каскаде, подастся на первый каскад. Структурная схема такого усилителя показана на рис. 8.2. Пунктирной линией обозначены ответвления цепи, поскольку ОС может охватывать также и другие выбранные каскады в усилительной цепочке.

Рис. 8.2. Обратная связь, охватывающая несколько каскадов

Устойчивы ли схемы с ООС?

В принципе да, однако однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Правильнее было бы сказать, что хорошо сконструированный и изготовленный усилитель с ООС является устойчивым. Рассматривая схемы с ООС в общем, можно сказать, что в определенных диапазонах частот существует возможность неустойчивости этих схем. Это следует из того, что коэффициент усиления усилителя является комплексным. Он характеризуется модулем (абсолютным значением) и углом фазового сдвига. В связи с этим нельзя говорить об ООС во всем диапазоне частот, усиливаемых усилителем.

В результате фазовых сдвигов в некоторых диапазонах частот, обычно на краях усиливаемой полосы, связь из отрицательной может стать положительной, и тогда усиление схемы возрастает. Если ОС является положительной и достаточно сильной, то усиление может возрасти до бесконечности, и тогда усилитель превращается в генератор, генерирующий собственные колебания. О таком усилителе говорят, что он нестабильный. Вероятность (опасность) нестабильности увеличивается с ростом ОС (большее произведение фактора обратной связи βfКu) и фазовых сдвигов в цепи ОС. Поэтому вероятность нестабильности больше в схемах с большим усилением и сильной связью, охватывающей несколько каскадов.

Борьба с нестабильностью усилителей в ООС заключается в ограничении числа каскадов, охваченных цепью ОС, до трех, а также на соответствующем формировании частотных характеристик усилителя. Главным принципом в этом случае является дополнительное уменьшение коэффициента усиления на границах, полосы пропускания, т. е. на тех частотах, для которых в результате фазовых сдвигов ООС превращается в ПОС. Тогда при меньших коэффициентах усиления, несмотря на ПОС, паразитные колебания не возникают, поскольку связь очень слабая.

Каковы преимущества и недостатки ООС?

Отрицательная обратная связь позволяет улучшить свойства схемы благодаря следующим преимуществам: уменьшение чувствительности усиления к изменению параметров элементов, режимов питания и внешних факторов; уменьшение нелинейных искажений; возможность формирования частотных характеристик, возможность изменения входного и выходного сопротивлений. К недостаткам ООС относятся уменьшение коэффициента усиления и возможность нестабильности схемы.

Как можно классифицировать цепи ООС?

Цепи ООС классифицируют исходя из способов снятия выходного сигнала и его подачи на вход.