Основы схемотехники. Тема: Обратная связь

dolin1974@gmail.com, george-dolin@yandex.ru, georgedolin@hotmail.com, e-seminar@mail.ru
skype dolin-george

электронными цепями они обладают преимущественно однонаправленной передачей сигналов.
Т.е. передача

сигналов с входа на выход преобладает над передачей сигналов с выхода на вход усилительного тракта (например:          >>0 , а              .)

Процесс передачи сигналов, обратным к основному, с выхода на вход усилительного тракта, называется обратной связью (ОС).
Цепь по которой передается сигнал обратной связи называется -цепью обратной связи.

параметров усилительного тракта.
Возникшая помимо желания разработчика усилительного тракта (паразитная ОС).

В зависимости

от структуры усилительного тракта ОС может:

Увеличивать коэффициент передачи по напряжению (это положительная ОС) (ПОС.);
Уменьшать коэффициент передачи по напряжению (это отрицательная ОС) (ООС).

В усилительных трактах в основном используется ООС, которая ухудшая усилительные свойства, позволяет:

Повысить стабильность и определенность усилительных свойств усилительного тракта.
Снизить уровень нелинейных, частотных и переходных искажений.

схемы входят:
Основной усилительный тракт (К34).
Основное звено ОС(К56).
Шестиполюсник ( II ), в котором происходит

ответвление части выходного сигнала в основное звено ОС.
Шестиполюсник ( I ), в котором происходит объединение (или смешивание) входного сигнала с сигналом, поступающим с выхода основного звена ОС.

тракта зависит от Т и коэффициента передачи самого усилителя (К).
Степень

относительных изменений параметров усилительного тракта, вызванных введением в него ОС, характеризуется параметром F=1+T,называемой глубиной обратной связи.

Знак +Т ООС. F>1
Знак –Т ПОС. F<1
Следует заметить, что понятия “ООС” и “ПОС.” имеют строгое однозначное толкование только в случаях, когда значение параметра Т определяется вещественным числом. Только в этом случае введение ОС не сопровождается появлением дополнительных фазовых набегов в проходящих через усилительный тракт сигналах. В противном случае ОС организованная, например, как ООС может вызывать увеличение коэффициента усиления, а как ПОС - уменьшение коэффициента усиления.
В ряде случаев схема усилительного тракта с ОС организована таким образом, что основное звеноК56обратной связи обладает частотно-зависимой передачей. Такая схема называется схемой с частотно-зависимой обратной связью.

связь параллельного вида
обратную связь последовательного вида.

охватывающей весь усилитель, имеются петли обратной связи, охватывающие отдельные каскады

или части усилителя, их называют местными петлями обратной связи.
Существуют различные способы снятия энергии с выхода схемы и подачи её на вход схемы. Если энергию сигнала снимают с выхода схемы параллельно нагрузке, связь называется обратной связью по напряжению (или параллельной по выходу), т.к. при этом напряжение обратной связи прямо пропорционально выходному напряжению усилителя UВЫХ.
а) обратной связи по напряжению (параллельная обратная связь);
б) обратной связи по току (последовательная обратная связь);
в) смешанная (комбинированная) обратная связь
Если же сигнал обратной связи снимают с выхода последовательно с нагрузкой,, связь называют обратной связью по току (или последовательной по выходу). В этом случае напряжение обратной связи прямо пропорционально току IВЫХ. В групповых усилителях многоканальных телекоммуникационных систем используется комбинация отмеченных выше способов. Эта схема носит название комбинированной обратной связи по выходу. Напряжение обратной связи в схеме в пропорционально двум составляющим: выходному напряжению UСВ.Н и выходному току UСВ.Т. Из рис. легко видеть, что она представляет из себя мостовую схему.

цепь усилителя различают:

а) последовательная по входу обратная связь
б) параллельная по

входу обратная связь
в) мостовая (комбинированная) по входу обратная связь

четырехполюсники К3,4  и К5,6  могут быть трехполюсниками (с одной общей

стороной с попарно объединенными зажимами 3’- 4’ и 5’- 6’).

Обычно объединенными зажимами блоков К3,4 иК5,6 соединяются с землей

случаем является ОС организуемая таким образом, что двухполюсник (Z5,6) соединяется

непосредственно с выходом и входом блокаК3,4 (это обратная связь параллельная по входу и выходу).

Число вариантов построения цепей ОС не исчерпывается приведенными.

в схемах с обратной связью
При отсутствии цепи ОС параметры усилительного тракта называются

исходными. На базе этих параметров осуществляется вычисление характеристик усилительного тракта с введением ОС.
Исходные параметры усилительного тракта соответствуют схеме с оборванной петлей ОС по определенным правилам. Т.е. разрыв петли ОС не должен нарушать режимов работы разделяемых в месте разрыва участков петли ОС. Для этого на выход блокаК5,6 необходимо подключить эквивалент выхода блока II (Zэ’), а на выходы блока II подключить эквивалент входного сопротивления блока К5,6

в схемах с обратной связью
При таком разделении петли ОС исходными параметрами

усилительного тракта являются:


                      - коэффициент усиления по напряжению.

                     - коэффициент усиления по току.


Zвх  - входное сопротивление.
Zвых - выходное сопротивление.

в схемах с обратной связью
Петлевая передача (Т) должна определяться в соответствии

со схемой.
В разрыв цепи ОС к зажимам 5а, 5а’ подключается источник испытательного сигнала(Ua). После этого определяется разность потенциалов между зажимами 5б - 5б’(Uб).

Тогда:
                                                 
В общем случае величина Т зависит отZс и Zн. Для оценки степени влияния ОС на свойства усилительного устройства достаточно иметь крайние значения дляТ. Т.е. в режиме короткого замыкания (             ) по входу и выходу и холостого хода (              ) по входу и выходу.

в схемах с обратной связью
- короткое замыкание на входе.
- холостой

ход на входе.
- короткое замыкание на выходе.
- холостой ход на выходе.

в схемах с обратной связью
При ООС и отсутствии дополнительного набега фаз

сигнала по петле ОС напряжение Uб находиться в противофазе по отношению к Ua , а при ПОС совпадает по фазе, а Т и F определяют вещественными числами.
Следует отметить, что ОС в основном являются не однонаправленными. Следовательно имеется прохождение сигнала с блока I через К56 к II. Прохождение этого сигнала может обратно, соответствовать коэффициентам передачи: К1.6 , К6.5 и К5.2.

Соответственно значения общих коэффициентов передачи К12U и К12iчерез рассматриваемую ветвь определяется соотношениями:

                                   

Эти коэффициенты называются коэффициентами пассивной передачи. Обычно k12u<

усилительного тракта однопетлевой ОС основные параметры и характеристики изменяются. Измененные параметры

определяются соотношениями:
                       
                                                                                                    
(где                           - коэффициент усиления усилительного тракта при разомкнутой петле ОС. Знак(+) ООС, знак (-) ПОС. В общем виде параметры в соотношениях являются комплексными величинами.

на коэффициент усиления по напряжению, рассмотрим последовательный способ введения сигнала

во входную цепь.

Предположим, что входное сопротивление усиливается ZВХ = ∞ (бесконечно велико).
UВХ.ИСТ – UВХ.ОС + UСВ = 0; (4.1)
Здесь UВХ.ОС – результирующий сигнал на входе усилителя. Из уравнения (4.1) следует:
UВХ.ОС = UВХ.ИСТ + UСВ;
Выходное напряжение усилителя равно:
UВЫХ.ОС = К· UВХ.ОС; (4.2)
Как видно из уравнения (4.2) К не изменяется; но по отношению к сигналу источника UВХ.ИСТ, коэффициент усиления становится другим:
UВЫХ.ОС = КОС· UВХ.ИСТ; (4.3)
Левые части уравнений (4.2) и (4.3) равны, значит равны и правые. Тогда можно записать:
           ; (4.4)

т.е. коэффициент усиления при введении обратной связи изменяется пропорционально изменению входного сигнала. Величину F называют возвратной разностью. Учитывая, что:
UВХ.ИСТ = UВХ.ОС – UСВ;

после подстановки:
                    ; (4.5)
Комплексную величину Т называют возвратным отношением:
                                  
Таким образом, петлевой

коэффициент усиления Т равен произведению коэффициентов передачи петли обратной связи.
Модуль величины | Т | показывает изменение сигнала при прохождении через цепь обратной связи. Если | F | > 1, то обратную связи называют отрицательной (ООС); если же | F | < 1, то положительной (ПОС).
При ООС коэффициент усиления усилителя с обратной связью уменьшается:
            ; (4.6)
а при ПОС – возрастает:
            ; (4.7)
В усилителях часто применяют комбинированную глубокую ООС (F>>1); тогда из уравнения (4.6) следует:
            ; (4.8)
т.е. свойства усилителя с ООС определяются в основном цепью четырёхполюсника обратной связи. Это обстоятельство находит широкое применение на практике.

усилительного тракта является звено K3,4(непосредственно усилитель). Это звено строится на

транзисторах, а именно транзисторные цепи больше всего подвержены воздействию дестабилизирующих факторов. Вернемся вновь к схеме, отражающей усилительный тракт в общем виде, и учитывая, то что блоки I ,II иK5,6состоит из пассивных компонентов (R,L,С), изменение параметров которых менее подвержены воздействию дестабилизирующих факторов (технологический разброс параметров, температура,        ).

Чувствительность усилительного тракта к воздействию дестабилизирующих факторов может быть уменьшена за счет его охвата петлей ООС. Т.е., идя на преднамеренное уменьшение коэффициента усиления усилительного тракта за счет использования ООС, достигается стабилизацией коэффициента усиления тракта. А именно:
  (относительное изменение коэффициента усиления).

возникают нелинейные искажения; кроме того, имеются помехи. Введение ООС уменьшает

нелинейные искажения и помехи в глубину ООС раз:
              
              
Следовательно, ООС уменьшает, а ПОС увеличивает помехи и искажения, возникающие в части усилителя, охваченный обратной связью.
В современных групповых усилителях требуется высокое затухание нелинейности (до 80 ÷ 90 дБ и выше). Достижение столь высоких значений невозможно без применения глубокой ООС.

выходное и входное сопротивления цепи, к которой оно подключен. Рассмотрим

общий случай, т.е. комбинированного подключения четырёхполюсника обратной связи вначале к выходной цепи усилителя, а затем – входной цепи.
Выходное сопротивление усилителя без обратной связи равно:
         ;
где UВЫХ.ХХ – напряжение холостого хода, а IВЫХ.КЗ – ток короткого замыкания. Выходное сопротивление усилителя с обратной связью равно:
              ; (4.11)
здесь FВЫХ.КЗ глубина ООС на выходе усилителя в режиме короткого замыкания; FВЫХ.ХХ – глубина ООС на выходе усилителя в режиме холостого хода.
Формула (4.11) называется формулой Блекмана для выходной цепи. Из неё следуют частные случаи: 1) В схеме отсутствует ООС по напряжению; тогда FВЫХ.ХХ = 1, а ZВЫХ.ОС равно:
ZВЫХ.ОС = ZВЫХ. · FВЫХ.КЗ ;
Т.е при последовательном подключение четырёхполюсника обратной связи к выходу усилителя, его выходное сопротивление возрастает.

2) В схеме отсутствует ООС по току; тогда FВЫХ.КЗ = 1, а ZВЫХ.ОС равно: ZВЫХ.ОС =       ;
Т.е при параллельном подключение четырёхполюсника обратной связи к выходу усилителя, его выходное сопротивление уменьшается.
Подбирая FВЫХ.ХХ и FВЫХ.КЗ можно всегда согласовать ZВЫХ. с нагрузкой. Это обстоятельство широко используется на практике.
Аналогично определяется входное сопротивление усилителя:
           ; (4.12)
Формула (4.12) называется формулой Блекмана для входной цепи. Аналогично, последовательное подключении цепи обратной связи ко входу усилителя увеличивает сопротивление:
ZВХ.ОС = ZВХ. · FВХ.КЗ ;
А при параллельном – уменьшает:           ;
Регулировка глубины обратной связи в схемах групповых усилителей осуществляется элементами групповой схемы. Обычно для этих целей используется несимметричная дифференциальная схема

усилителя, изменяет его частотную, фазовую и переходную характеристики. Применительно к

ООС, которая обычно используется в усилителе, различают частотно-независимую и частотно-зависимую обратные связи.
В случае частотно-независимой ООС можно получить коэффициент частотных искажений в виде :
            ;
где М – коэффициент частотных искажений усилителя без обратной связи. При этом полоса частот усилителя расширяется, а коэффициент усиления усилителя, как было отмечено выше, уменьшается в глубину ООС раз.
В другом случае, частотно-зависимой ООС, можно получить желаемую АЧХ (ФЧХ и переходную характеристику), если применить глубокую ООС и зависимость β(f). Это свойство широко используется в групповых усилителях, в конструировании усилителей и устройств с заданными параметрами. Например, в линейных усилителях систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК), требуется АЧХ подъёмом в области ВЧ.

Такую характеристику можно реализовать, если напряжение обратной связи будет уменьшаться с ростом частоты.

устойчивого усилителей б) с обратной связью.
Для повышения устойчивости усилителей разработаны

методы, суть которых сводится к следующему.
В усилителе с обратной связью следует охватить как можно меньше число каскадов, т.к. это уменьшает сдвиг фаз петли обратной связи
Применять в охваченных обратной связью каскадах схемы межкаскадной связи, дающие малые фазовые сдвиги.
При проектировании усилителей задаются допустимой степенью приближения годографа Т к критической точке; эта степень получала название запаса устойчивости усилителя. Различают запас устойчивости по модулю “X”
X = – 20lg |TX| при arg TX = π; и запас устойчивости по фазе “Y”;
πY = π – arg T при |TX| = 1
Для групповых усилителей, имеющих глубокую ООС принимают запасы устойчивости: по модулю 3n дБ, а по фазе 0,175 рад (10n град.), где n – число усилительных каскадов.