Обратная связь

19982
0
14 сентября 2009
Если некоторая часть выходного сигнала усилителя подаётся обратно на вход, так что усилитель усиливает часть своего собственного выходного сигнала, то мы получаем так называемую обратную связь. Обратная связь существует в двух разновидностях: положительная (также называемая регенеративной) и отрицательная.

Положительная обратная связи, представляет собой такой тип, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения, а в случае отрицательной обратной связи происходит полностью обратный процесс.

Многие из нас сталкивались с примером обратной связи, который происходит при работе набора звукоусилительной аппаратуры для выступлений: когда оратор держит микрофон слишком близко к динамикам возникает высокий «воющий» звук, что связано с тем, что аудио усилитель воспринимает и усиливает свой собственный шум. Данное явление — пример положительной или регенеративной обратной связи, поскольку любой звук, поступающий в микрофон усиливается и превращается в ещё более громкий звук громкоговорителя и таким образом возникает петля обратной связи, в которой вибрация поддерживает сама себя, увеличиваясь всё больше и больше, в результате чего возникает шум с постоянно растущей громкостью, до тех пор пока система не входит в состояние «насыщения» и не может более усиливать звук.

Можно задаться вопросом, каковы возможные преимущества обратной связи в усилителях, учитывая такие раздражающие её проявления как «воющий» звук звукоусилительной аппаратуры для выступлений. Если мы введём в схему усилителя положительную или регенеративную обратную связь, то будет создана тенденция генерирования и поддержания колебаний, частота которых определяется значениями компонентов, осуществляющих подачу сигнала обратной связи с выхода на вход. Это один из способов сделать генератор, — схему для получения переменного тока от источника постоянного тока. Генераторы — чрезвычайно полезные схемы, и поэтому обратная связь может иметь определённое практическое применение.

Отрицательная обратная связь, с другой стороны, оказывает на усилитель «смягчающее» воздействие: при увеличении амплитуды выходного сигнала сигнал обратной связи противодействует изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная делает систему менее устойчивой, отрицательная обратная связь действует противоположным образом: стабильность системы лишь увеличивается.

Усилитель, охваченный отрицательной обратной связью не только более стабилен, но также в меньшей степени искажает входной сигнал и, как правило, может усиливать в более широком диапазоне частот. Плата за эти преимущества (должны же быть иметься и недостатки отрицательной обратной связи, не так ли?) — уменьшение коэффициента усиления. Если часть выходного сигнала усилителя «поступает обратно» на вход, и противодействует любым изменениям выходного сигнала, то для обеспечения той же что и раньше амплитуды на выходе требуется входной сигнал большей амплитуды. Именно этим обуславливается уменьшенный коэффициент усиления при наличии отрицательной обратной связи. В любом случае, такие преимущества как стабильность, пониженный уровень искажения и более широкая полоса пропускания, стоят того, чтобы «пожертвовать" определённой частью усиления.

Рассмотрим простую схему усилителя и определим, как мы могли бы ввести в неё отрицательную обратную связь (см. рисунок ниже).

03311.png

Усилитель с общим эмиттером без обратной связи

На схеме показан усилитель с общим эмиттером, в котором цепочка резисторов смещения образована резисторами R1 и R2. Конденсатор связывает Vвх с усилителем таким образом, что источник сигнала не имеет напряжения постоянного тока, сообщённого делителем напряжения R1/R2. Резистор R3 служит для контроля над коэффициентом усиления напряжения. При максимальном коэффициенте усиления напряжения данный резистор можно опустить, но поскольку подобные резисторы базы часто используются в схемах усилителей с общим эмиттером, на рисунке он показан.

Как и все усилители с общим эмиттером показанный усилитель инвертирует усиленный входящий сигнал. Иначе говоря, нарастающее напряжение входящего сигнала ведет к падению напряжения на выходе и наоборот. На рисунке ниже показаны формы кривой на осциллографе.

03312_show.png

 

Усилитель с общим эмиттером без обратной связи и исходные формы кривой для сравнения

Поскольку выходной сигнал представляет собой копию входного сигнала в зеркальном отображении, любое соединение между выходом (коллектором) и входом (базой) транзистора (как показано на рисунке ниже) создаст отрицательную обратную связь.

03313_show.png

 

Отрицательная обратная связь, коллекторная обратная связь ослабляет выходной сигнал

Резисторы R1, R2, R3 и Rобр.св. вместе функционируют таким образом, что напряжение на базе транзистора (по отношению к земле) представляет собой среднее значение входного напряжения и напряжения обратной связи, что ведет к тому, что на транзистор поступает сигнал меньшей амплитуды. Таким образом, схема усилителя на рисунке выше будет иметь сокращенный коэффициент усиления напряжения, но лучшую линейность (меньшее искажение) и более широкую полосу пропускания

Однако, резистор, соединяющий коллектор с базой, не является единственной возможностью введения отрицательной обратной связи в схему усилителя. Другой, на первый взгляд более сложный, способ, заключается в установке резистора между выводом эмиттера на транзисторе и общей линией, как показано на рисунке ниже.

03314_show.png

 

Эмиттерная обратная связь: другой способ введения отрицательной обратной связи в схему

Новый резистор обратной связи понижает напряжение пропорционально току эмиттера на транзисторе таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход транзистора база-эмиттер. Рассмотрим переход эмиттер-база и влияние нового резистора на рисунке ниже.

При отсутствии резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей на рисунке ниже (a), при любом уровне входного сигнала (Vвх.) на конденсаторе связи и цепочке резисторов R1/R2/R3 будет накладываться непосредственно к переходу база-эмиттер, как и входящее напряжение транзистора (Vб-э). Иначе говоря, при отсутствии резистора обратной связи Vб-э равно Vвх. Следовательно, если Vвх. увеличится на 100 милливольт, Vб-э также увеличится на 100 милливольт: изменения одного параметра будут равны изменениям другого, поскольку два напряжения равны.

Теперь рассмотрим эффект, возникающий при установке резистора (Rобр.св.) между выводом эмиттера транзистора и землей, как показано на рисунке ниже (б).

 

03315.png

 

 

03316.png

(а) нет обратной связи, (б) – эмиттерная обратная связь. Форма кривой на коллекторе инвертирована по отношению к базе. На эмиттере на рисунке (б) форма кривой совпадает по фазе с базой (эмиттерный повторитель), и не совпадает по фазе с коллектором. Следовательно, сигнал эмиттера вычитается из выходного сигнала коллектора

Отметим, как падение напряжения на резисторе Rобр.св. способствует выравниванию Vб-э и Vвх. При наличии в цепи Vвх. — Vб-э резистора Rобр.св. напряжение Vб-э перестанет быть равным напряжению Vвх. Нам известно, что Rобр.св. уменьшает напряжение пропорционально току эмиттера, который в свою очередь контролируется током базы, а тот в свою очередь контролируется падением напряжения на переходе транзистора база-эмиттер (Vб-э).  Таким образом, если бы Vвх. увеличивалось в положительном направлении, оно усилило бы напряжение Vб-э, увеличивая ток базы, а соответственно и ток коллектора (нагрузки), что привело бы к усилению тока эмиттера и увеличило бы падение напряжения обратной связи на резисторе Rобр.св.  Увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи, однако, вычитается из Vвх. для сокращения Vб-э, таким образом, фактическое увеличение напряжения Vб-э будет меньше, чем увеличение напряжения Vвх. Теперь увеличение Vвх. на 100 милливольт не будет соответствовать увеличению Vб-э на 100 милливольт, поскольку два напряжения уже более не равны.

Следовательно, входное напряжение имеет меньшее воздействие на транзистор чем прежде, и коэффициент усиления по напряжению будет сокращаться: как раз этого мы и ожидали от отрицательной обратной связи.

В обычных схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь – это не роскошь, а гарантия стабильной работы. В идеальных условиях можно было бы создать и использовать усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и получить полную амплитуду Vвх. на переходе транзистора база-эмиттер. Это дало бы нам большой коэффициент усиления напряжения. Однако, к сожалению, отношения между напряжением и током базы-эмиттера зависят от температуры, что следует из «уравнения диода». По мере нагрева транзистора падение напряжения в режиме прямого тока на переходе база-эмиттер при любом токе будет уменьшаться. Это представляет для нас определённую проблему, цепочка делителя напряжения R1/R2 создана для обеспечения  корректного тока покоя на базе транзистора, чтобы он работал в любых требуемых условиях (в этом примере показан усилитель, работающий в классе А). Если соотношение напряжение/ток транзистора изменяется от температуры, то напряжение смещения необходимое для требуемого класса работы изменится. Горячий транзистор будет потреблять больший ток смещения при том же напряжении смещения, что вызывает ещё больший нагрев, что приведёт к ещё большему току смещения. Если этот процесс не остановить, то мы получим появление искажений при повышении температуры.

Однако, усилители с общим коллектором (на рисунке ниже) не подвергаются искажениям при повышении температуры. Почему так происходит? Это связано собственно с отрицательной связью.

03317.png

Усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Следует отметить, что нагрузочные резисторы усилителя с общим коллектором (см. рис. выше) установлены в том же месте, что и резистор R обр.св. в последней схеме на рис выше (b): между эмиттером и землёй. Это означает, что только напряжение, приложенное к переходу транзистора база-эмиттер представляет собой разность между V вх. и V вых., в результате чего имеем очень низкое усиление по напряжению (обычно коэффициент близок к 1 в случае усилителя с общим коллектором). В этом усилителе невозможно изменение параметров, обусловленное температурой: если ток базы увеличивается в связи с повышением температуры транзистора, то ток эмиттера будет также возрастать, при этом будет происходить большее падение напряжения на нагрузке, которое в свою очередь будет вычитаться из Vвх. для сокращения падения напряжения между базой и эмиттером. Иными словами, отрицательная обратная связь, обеспечиваемая нагрузочным резистором создаёт ситуацию самокоррекции проблемы ухода параметров из-за изменения температуры. В обмен на значительно сокращенный коэффициент усиления по напряжению, мы получаем превосходную стабильность и решение проблемы появления искажений при повышении температуры.

При установке в схему усилителя с общим эмиттером резистора «обратной связи» между эмиттером и землёй, усилитель работает не совсем так, как «идеальный» усилитель с общим эмиттером, а скорее как усилитель с общим коллектором. Номинал резистора обратной связи, как правило, немного меньше, чем сопротивление нагрузки, что сводит к минимуму отрицательную обратную связь и поддерживает коэффициент усиления по напряжению на достаточно высоком уровне.

Еще одно преимущество отрицательной обратной связи, четко видное в схеме с общим коллектором, заключается в том, что коэффициент усиления по напряжению становится в меньшей степени зависимым от характеристик транзистора. Отметим, что в усилителе с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению практически равен единице (1), независимо от коэффициента усиления ? транзистора. Это означает, среди прочего, что в таком усилителе мы могли бы заменить транзистор на другой, имеющий другой коэффициент усиления ? без существенных изменений коэффициента усиления по напряжению. В схеме с общим эмиттером, усиление напряжения в значительной степени зависит от коэффициента усиления ?. Если бы мы заменили транзистор в усилителе с общим эмиттером другим транзистором с отличным коэффициентом усиления ?, то усиление по напряжению существенно изменится. В усилителе с общим эмиттером, охваченном отрицательной обратной связью, усиление по напряжению все ещё будет в некоторой степени зависеть от коэффициент усиления транзистора ?, но не так значительно, что делает схему более предсказуемой, несмотря на различия в коэффициенте усиления ?.

Тот факт, что для устранения искажений при повышении температуры в схему усилителя с общим эмиттером приходится вводить отрицательную обратную связь, не может считаться оптимальным решением. Возможно ли устранить искажения при повышении температуры, не оказывая воздействия на коэффициент усиления? Если мы внимательно изучим возникшую проблему, то сможем найти наилучшее решение: усиление по напряжению, которое необходимо свести к минимуму, чтобы избежать ухода параметров является коэффициентом усиления по постоянному току , а не коэффициентом усиления по переменному току . В конце концов, входной сигнал переменного тока не является причиной появления искажений при изменении температуры: его причиной является напряжение смещения постоянного тока, которое требуется для некоторых классов работы усилителя — ток покоя, используемый для «обмана» транзистора с тем, чтобы он усиливал сигнал переменного тока. Мы можем подавить усиление напряжения постоянного тока в цепи усилителя с общим эмиттером, не подавляя при этом усиления напряжения переменного тока, если найдём способ функционирования отрицательной обратной связи лишь для постоянного тока. То есть, если мы создадим цепь обратной связи только для инвертированного сигнала постоянного тока, а не для инвертированного сигнала переменного тока.

Резистор эмиттера Rобр.св. обеспечивает отрицательную обратную связь посредством падения напряжения, пропорционального току нагрузки. Иными словами, отрицательная обратная связь осуществляется путем создания импеданса в в цепи тока эмиттера. Если мы хотим, чтобы была создана обратная связь для сигнала постоянного, а не переменного тока, нам потребуется импеданс, который был бы достаточно высок для постоянного тока, но при этом достаточно низок для переменного тока. Какая схема может обеспечить высокий импеданс для постоянного тока и низкий импеданс для переменного тока? Конечно же! Фильтр высоких частот!

При подключении конденсаторов параллельно с резистором обратной связи (см. рисунок ниже), мы создаем необходимую нам ситуацию: путь от эмиттера к земле, по которому обеспечивается более «комфортное» движение переменного тока по сравнению с постоянным током.

03318_show.png

Высокий коэффициент усиления переменного тока осуществляется путём добавления шунтирующего конденсатора Cшунт. параллельно с Rобр.св..

Этот конденсаторы «обводит" переменный ток транзистора эмиттер-земля, поэтому не будет происходить никакого заметного падения напряжения переменного в цепи эмиттер-земля и «обратная связь-вход», а также подавления коэффициента усиления по напряжению. Постоянный ток, с другой стороны, не может пройти через шунтирующий конденсатор, и поэтому будет протекать через резистор обратной связи с падением напряжения постоянного тока между эмиттером и землёй, вследствие чего происходит снижение усиления напряжения постоянного тока и стабилизируется чувствительность усилителя к сигналу переменного тока, что предотвращает искажения при повышении температуры. Поскольку нам необходимо, чтобы реактивное сопротивление конденсатора (X C ) было как можно более низким, номинал Cшунт должен быть относительно высоким. Так как полярность на этом конденсаторе не изменяется, в целях безопасности следует использовать полярный оксидный конденсатор.

Другой подход решения проблемы сокращения усиления напряжения при наличии отрицательной обратной связи является использование многокаскадных усилителей усилителей вместо усилителей на одном транзисторе. Если уменьшенный коэффициент усиления одного транзистора недостаточен для выполнения требуемой задачи, для компенсации сокращения, вызванного обратной связью можно использовать более одного транзистора. На следующем рисунке ниже приведён пример схемы, на которой показан трёхкаскадный усилитель с общим эмиттером и отрицательной обратной связью:

03321_show.png

В данном случае отрицательная обратная связь формируется благодаря нечётному количеству каскадов

Цепь обратной связи с выхода последнего каскада на вход через один резистор Rобр.св.. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (таким образом, осуществляется инвертирование), нечётное число каскадов будет инвертировать выходной сигнал и обратная связь будет отрицательной. В данном случае может быть реализована довольная глубокая обратная связ без ущерба для коэффициента усиления по напряжению, поскольку эти три усилительных каскада обеспечивают достаточно большое усиление.

На первый взгляд подобная конструкция может показаться неэлегантной и, возможно, даже контрпродуктивной. Всё это выглядит как довольно грубый способ предотвращения уменьшения коэффициента усиления, возникающего из-за отрицательной обратной связи. В чем смысл создания огромного усиления напряжения с помощью трех усилительных каскадов, если мы будем в любом случае ослаблять этот коэффициент посредством отрицательной обратной связи? Смысл, хотя, возможно, и не очевидный на первый взгляд, заключён в повышении предсказуемости и стабильности схемы в целом. Если три усилительных каскада обеспечивают высокий коэффициент усиления напряжения (10000 или выше) без обратной связи, можно увидеть, что при введении отрицательной обратной связи общий коэффициент усиления по напряжению станет менее зависимыми от отдельного коэффициента усиления отдельного каскада, и примерно равен простому соотношению Rобр.св. / Rвх. . Чем больше усиление по напряжению в схеме (без обратной связи), тем ближе будет коэффициент усиления по напряжению к R обр.св. / Rвх.после создания обратной связи. Иными словами, усиление по напряжению в этой схеме фиксируется посредством номиналов двух резисторов, и ничем иным..

Это является достоинством при массовом производстве электронных схем: если можно собрать усилители с предсказуемым коэффициентом усиления на транзисторах с различным коэффициентом ?, то облегчается подбор и замена компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления меняется незначительно при изменении температуры. Этот принцип контроля над коэффициентом усиления посредством отрицательной обратной связи является своего рода искусством в области электронных схем, которые называется операционными усилителями , сокращённо ОУ.

  • РЕЗЮМЕ:

  • Обратная связь - подача выходного сигнала усилителя на его вход.

  • Положительная , или регенеративная обратная связь приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует отклонению выходного сигнала от первоначального значения и в системе возникают колебания (переменный ток). Частота этих колебаний в значительной степени определяется подбором компонентов цепи обратной связи.

  • Отрицательная обратная связь способствует стабильности работы усилителя, так что изменения выходного сигнала меньше для данного входного сигнала, чем при отсутствии обратной связи. Это приводит к снижению коэффициента усиления, однако даёт и определённые преимущества: уменьшение искажений и увеличение полосы пропускания (рабочего диапазона частот).

  • Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером посредством соединения коллектора с базой, либо путём включения резистора между эмиттером и землёй.

  • Резистор «обратной связи» эмиттер-земля обычно используется в схемах с общим эмиттером в качестве превентивной меры против искажения, обусловленного повышением температуры .

  • Отрицательная обратная связь также обладает тем преимуществом, что коэффициент усиления по напряжению становится более зависимым от номиналов резисторов и менее зависимым от характеристик самих транзисторов.

  • Усилители с общим коллектором характеризуются более глубокой отрицательной обратной связью вследствие наличия нагрузочного резистора между эмиттером и землёй. Такая обратная связь обеспечивает исключительно стабильный коэффициент усиления, а также защиту от искажений, обусловленный повышением температуры транзисторов..

  • Коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером может быть восстановлен без ущерба для устойчивости к искажениям посредством подключения шунтирующего конденсатора параллельно с «резистором обратной связи» эмиттера.

  • Если усиление напряжения является сколь угодно высоким (10000 и выше), а отрицательная обратная связь используется для уменьшения коэффициента усиления до разумного уровня, то коэффициент усиления будет примерно равен Rобр.св. / Rвх.. При наличии обратной связи изменения коэффициента усиления транзистора ? или других параметров компонента не будут иметь большого влияния на усиление напряжения, в результате чего мы получим стабильный усилитель несложной конструкции.



Тактические и профессиональные фонари. В первую очередь, это светотехнические средства, пригодные для применения в экстремальных и сложных условиях, а так же техника, оптимизированная для узкого спектра задач, например подствольные фонари или фонари для дайвинга.
9931 0
Активная распределенная антенная система представляет собой двунаправленный репитер, который усиливает и дублирует выходной сотовый сигнал внутри одного помещения. Усиленный сигнал дублируется с помощью внутренней антенны. Подобным образом дублируется сотовый сигнал и за пределами здания.
3859 0
Для схемы данного интегратора подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но в списке необходимых компонентов указана модель 1458, так как входные токи смещения этого ОУ гораздо выше. Как правило, высокий входной ток смещения считается плохой стороной того или иного операционного усилителя, если он используется в схеме усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!).
5780 0

    Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

    При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.2214 s