Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется электрическая связь между каскадами или входными и выходными цепями отдельного каскада, при которой часть энергии с выхода поступает обратно на вход.

Если напряжение (ток), поступающее с выхода на вход оказывается в фазе с напряжением (током) входного сигнала, то такую обратную связь называют положительной.

Если напряжение (ток), поступающее с выхода на вход, находится в противофазе с напряжением (током) входного сигнала, то такая обратная связь называется отрицательной.

Обратная связь может быть полезной, когда она способствует улучшению свойств усилителя, и вредной, паразитной, если она возникает произвольно и нарушает устойчивую нормальную работу усилителя.

Положительная обратная связь не находит практического применения в усилителях низкой частоты. Наоборот, если она возникает (внешне это сопровождается гудением и свистом в динамике), то ее стараются уменьшить рациональным расположением деталей и проводов, экранировкой и введением в схему блокировочных конденсаторов и развязывающих фильтров.

Наиболее опасной является положительная обратная связь через источники анодного и сеточного питания в многокаскадных усилителях. Так, в трехступенном усилителе часто возникает самовозбуждение вследствие наличия связи через источник анодного питания между анодными цепями третьей и первой ступенями усиления. При отсутствии развязывающего фильтра переменные составляющие анодных токов первой и третьей ступеней усиления, находящиеся в фазе, на зажимах источника анодного питания (на аноде лампы первой усилительной ступени) создадут пульсирующее напряжение ΔЕ_а, меняющееся в фазе с усиленным входным сигналом. При этом на вход второй ступени усиления поступит сигнал U_вх·K₁ + ΔЕ_а.

Это вызовет дальнейшее увеличение напряжения пульсации на зажимах источника анодного питания на величину ΔЕ'_а, что в конечном итоге приведет схему к самовозбуждению. Чтобы исключить возможность поступления на вход второй ступени усиления напряжения ΔЕ'_а, в анодную цепь первой лампы обязательно включают развязывающий фильтр.

Отрицательная обратная связь находит самое широкое распространение в усилителях низкой частоты.  Напряжение отрицательной обратной связи, подаваемое с выхода на вход, может быть пропорционально либо выходному напряжению (рис. 152, а), либо току, протекающему по нагрузке (рис. 152, б), либо напряжению и току одновременно (рис. 152, в).

В первых двух схемах цепь обратной связи подключена ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала. Такую отрицательную обратную связь называют последовательной. Третья блок-схема осуществляет смешанную последовательную отрицательную обратную связь. Буквой β обозначен коэффициент обратной связи. При обратной связи по напряжению он показывает, какая часть напряжения с выхода поступает на вход усилителя: Uβ = βUвых, где Uβ — напряжение обратной связи. Рис. 152. Блок-схемы отрицательной обратной связи. 1 — усилитель с коэффициентом усиления К; 2 — цепь обратной связи.

• Усилитель мощности НЧ с отрицательной обратной связью

Наиболее распространенной является последовательная отрицательная обратная связь по напряжению (см. рис. 152, а). Из определения отрицательной связи следует, что U_c = U_вх — U_β. Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью равен

                                    (270)

где К = U_вых/U_с — коэффициент усиления  усилителя без обратной связи.

Введение отрицательной обратной связи в схему усилителя вызывает уменьшение усиления, но в то же время уменьшает искажения формы выходного сигнала, независимо от того, какие причины (внешние или внутренние) вызвали появление этих искажений.

Действительно, в этом случае на вход усилителя поступает напряжение отрицательной обратной связи, которое либо компенсирует напряжение помех, если оно имеется на входе, либо поступает на вход усилителя и уже в процессе усиления компенсирует возникающие искажения. Из очевидного равенства

U_βп = U_п-К_βU_βп

можно установить зависимость между напряжением помех U_βп на выходе усилителя с отрицательной обратной связью и напряжением помех U_п на выходе усилителя без обратной связи.

Решив это уравнение относительно U_βп, получим

Как видно, отрицательная обратная связь уменьшает напряжение помех на выходе усилителя в 1 + βК раз. Так как эта формула справедлива для любой гармонической составляющей, то она справедлива и для оценки нелинейных искажений усилителя с отрицательной обратной связью:

Наибольшие нелинейные искажения создает выходной каскад усилителя, так как он работает при больших амплитудах входного сигнала. Поэтому отрицательную обратную связь обычно вводят в последних каскадах усилителя. Например, если известно, что для получения заданной выходной мощности на вход оконечного каскада необходимо подать напряжение U_с = 10 в, причем поскольку коэффициент нелинейных искажений γ будет равен 7%, а заданное значение его, γ_зад составляет 5%, то для уменьшения нелинейных искажений в каскад следует ввести отрицательную обратную связь. При этом напряжение отрицательной обратной связи должно быть

Следовательно, предыдущий каскад усиления должен обеспечить подачу иа вход оконечного каскада напряжения, равного 14 в.

Введение отрицательной обратной связи выравнивает также частотную характеристику усилителя, уменьшая частотные искажения. В этом нетрудно убедиться, если коэффициент частотных искажений каскада при наличии отрицательной обратной связи представить в виде отношения коэффициента усиления на средних частотах К_ср.β при наличии отрицательной обратной связи к коэффициенту усиления на верхних частотах К_вβ, тоже при наличии обратной связи:

где

После подстановки значений К_ср.β и К_вβ находим коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

Так как βК_β< βК_срто нетрудно прийти к выводу, что М_вβ< М_в т.е.частотные искажения уменьшились.

Введение отрицательной обратной связи повышает также стабильность коэффициента усиления. Такие факторы, как непостоянство напряжения источника питания, изменение температуры и влажности окружающей среды, старение элементов схемы, могут привести к изменению коэффициента усиления каскада до 20%. Так, например, если из-за влияния перечисленных факторов коэффициент усиления каскада вместо К = 50 стал К' = 40, то введение отрицательной обратной связи с β = 0,2 приведет к снижению коэффициента усиления каскада и вместе с тем обеспечит его постоянство:

Проанализируем влияние отрицательной обратной связи на входное сопротивление усилителя. Без учета обратной связи

но

тогда, подставив в выражение для R_вх вместо U_с его значение, получим

Воспользовавшись этой формулой, можно определить входное сопротивление усилителя с учетом обратной связи:

Как видно, входное сопротивление усилителя с последовательной обратной связью оказывается в (1 + βК) раз больше входного сопротивления усилителя без обратной связи.

Рассуждая аналогичным образом нетрудно показать, что-отрицательная обратная связь в (1 + βК) раз уменьшает и выходное сопротивление усилителя:

Входное сопротивление следующего каскада шунтирует сопротивление нагрузки предыдущего каскада и тем самым снижает его усиление. Однако шунтирующее действие проявляется тем меньше, чем выше R_вх и ниже R_вых.

Таким образом, введение в схему отрицательной обратной связи хотя и приводит к снижению усиления, но вместе с тем вызывает улучшение качественных и эксплуатационных   показателей  усилителя.