Поиск по сайту
Рубрики
Статистика
Rambler's Top100


Отрицательная обратная связь

Кратко напомним, что такое отрицательная обратная связь, и как она работает.

На рис. показан усилитель с обратной связью. Знак минус обозначает операцию вычитания части выходного сигнала из входного сигнала, Ку- коэффициент усиления усилителя, Коос — коэффициент обратной связи. Таким образом, коэффициент передачи усилителя с ООС описывается выражением Кп = Ку / (1 + Ку*Коос), с учетом знака обратной связи. Произведение Ку Коос, пренебрегая единицей, иногда называют глубиной (отрицательной) обратной связи, иногда — усилением по петле ООС или петлевым усилением.

Ничего сверхъестественного и таинственного в принципе работы ООС нет. Часть (искаженного) выходного сигнала усилителя, определяемая значением Коос , подается обратно на его вход, где вычитается из входного сигнала; разность, называемая сигналом ошибки, подается обратно на усилитель, компенсируя возникшие искажения (за счет уменьшения выходного сигнала). Чем больше значения Коос и К у, т. е. меньше коэффициент передачи и больше коэффициент усиления, тем точнее компенсация, т. е. выше степень соответствия входного и выходного сигналов, и, соответственно, меньше искажения.

На след. рис. приведен упрощенный график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя (называемый диаграммой Боде, предложившего откладывать по осям модуль коэффициента усиления и частоту в логарифмическом масштабе), на котором можно более наглядно показать влияние ООС на свойства усилителя. Логарифмический масштаб диаграммы Боде удобен еще и тем, что результирующую АЧХ нескольких каскадов усиления можно оценить простым геометрическим сложением высоты графиков их АЧХ при помощи измерителя, поскольку операция умножения модулей коэффициентов усиления эквивалентна сложению их логарифмов (принцип работы логарифмической линейки).

Видно, что введение ООС уменьшает значение коэффициента усиления до значения коэффициента передачи и расширяет полосу пропускания от частоты полюса до значения 4, т. е. частота полюса является верхней частотой полосы пропускания усилителя до приложения ООС. Частота, при которой модуль коэффициента усиления равен 1, называется частотой среза Нелинейные искажения, по сравнению с усилителем без ООС, уменьшаются только в полосе частот до 4, причем на каждой частоте — по-разному, пропорционально петлевому усилению, поскольку Ку зависит от частоты7.

С точки зрения теории автоматического регулирования, частота 4 называется частотой среза по контуру ООС — оос, которая является одним из параметров, входящих в условие динамической линейности.

Нетрудно догадаться, что работа ООС напрямую зависит от того, насколько быстро сигнал ошибки окажется на входе усилителя, т. е. от быстродействия усилителя. Если оно недостаточно, то на определенной частоте, где коэффициент усиления еще превосходит 1 (т. е. ниже частоты среза 4Р), может возникнуть ситуация, при которой сигнал запоздает настолько, что не вычтется из входного сигнала, а сложится с ним, т. е отрицательная обратная связь станет положительной. Это приведет к незатухающим колебаниям на данной частоте, проще говоря, к генерации.

Способность усилителя с ООС не попадать в такие, очень неприятные ситуации, при изменении внешних условий в оговоренных пределах, называется устойчивостью.

Коэффициент усиления Ку зависит от нагрузки (штриховая линия на рис. 3.8), в основном из-за того, что выходное сопротивление собственно выходного каскада усилителя имеет ненулевое значение. Поэтому при подключении нагрузки некоторые параметры усилителя изменяются в худшую сторону. Однако выходное сопротивление усилителя, охваченного общей ООС, всегда снижается пропорционально петлевому усилению.

В 1920-х годах бурное развитие телефонии, электромеханической звукозаписи, радиовещания и звукового кино требовало резкого повышения качественных показателей усилительной техники: снижения нелинейных искажений, повышения мощности и равномерности АЧХ в полосе пропускания. Впервые ООС была использована с целью снижения искажений в усилителе на электронных лампах американским инженером Гарольдом Блэком (Harold S. Black) в 1927 году, когда он работал в исследовательской лаборатории фирмы Bell. Результаты своей работы он обобщил в статье Stabilized Feed-Back Amplifiers (Усилители, стабилизированные при помощи обратной связи), опубликованной в журнале Electrical Engineering в январе 1934 года. С этого времени ООС навсегда стала безотказным инструментом грамотных инженеров — разработчиков усилительной техники.

На след. рис. поясняется методология ООС в приложении к усилителям мощности. Обсуждавшаяся выше трехкаскадная архитектура Лина обозначена тремя усилителями, соответственно У1 (входной каскад), У2 (каскад усиления напряжения) и УЗ (выходной каскад).

Верхняя схема рис. иллюстрирует способ приложения общей ООС последовательного типа (сигнал ООС поступает на вход по-следовательно с входным сигналом), при этом усилитель не инвертирует входной сигнал (не изменяет его полярность). Последовательная ООС повышает входное сопротивление; любой эмиттер-ный повторитель (схема с общим коллектором, ОК) представляет собой усилитель со 100 %-ной последовательной ООС. Сопротивление в цепи эмиттера транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), образует последовательную ООС в усилительном каскаде, при этом снижается усиление, расширяется полоса пропускания и улучшается термостабильность. Поскольку выходной каскад УЗ обычно является повторителем напряжения, на обеих схемах, представленных на рис. 3.9, он показан в виде усилителя со 100 %-ной местной ООС.

Нижняя схема рис. 3.9 иллюстрирует метод, при котором часть выходного сигнала возвращается на входы двух каскадов, формируя несколько петель обратной связи. ООС на вход У2 называется вложенной (поскольку она находится внутри контура другой ООС), а тип обратной связи, использованный в данном случае, — многопетлевым; он иногда используется в УМЗЧ на основе ИОУ с дополнительным КУН.

В структуре усилителя с параллельными каналами усиления используется общая ООС параллельного типа (сигнал ООС поступает на вход усилителя параллельно с входным сигналом), при которой происходит инверсия полярности выходного сигнала по отношению к входному (см.рис. 3.7). Как будет показано ниже, инвертирующее включение позволяет избежать некоторых видов искажений, возникающих во входном дифференциальном каскаде УМЗЧ при большом синфазном сигнале (оно может быть полезно и для схемы Лина).

Комментарии запрещены.

Реклама