Влияние ОС на основные характеристики усилителя

Как уже отмечалось, введение обратной связи сильно изменяет основные характеристики усилителей. Рассмотрим более подробно это влияние.

Стабильность коэффициента усиления

Ранее было показано, что введение ООС приводит к снижению коэффициента усиления, а введение ПОС – к его увеличению. Теперь рассмотрим, как зависит изменение коэффициента усиления от наличия ООС. В реальных усилительных устройствах коэффициент усиления сильно зависит как от параметров используемых элементов, так и от условий эксплуатации: изменения температуры окружающей среды, изменения напряжения питания, старения элементов или их замены при ремонте и т. п.

Пусть

Тогда

Отсюда видно, что при Кβ >> 1

Таким образом, при выполнении условия Кβ >> 1нестабильность коэффициента передачи усили­теля полностью определяется нестабильностью элементов его цепи ООС, которая м/б сделана весьма малой (чаще всего в цепи ООС нет ППП, резисторы и конденсаторы более термостабильны, чем ППП, β не зависит от напряжения питания).

Полоса усиливаемых частот

Введение цепи ООС всегда расширяет полосу усиливаемых частот усилителя. Проиллюстрируем сказанное на примере усилителя, передаточная характеристика которого имеет вид

Охватим такой усилитель частотнонезависимой цепью ООС с коэффициентом передачи β. Тогда передаточная функция усилителя с ООС будет иметь вид

Видно, что и коэффициент усиления, и постоянная времени уменьшились в 1 + К₁β раз (при этом во столько н раз увеличилась ширина полосы пропускания). Графически это наглядно видно по ЛАЧХ усилителя (рис. 10.16).

Если в рассматриваемом примере ООС заменить на ПОС, полоса пропускания уменьшится.

Нелинейные искажения и помехи

Введение в усилительное устройство цепи ООС снижает как коэффициент нелинейных искажений усилителя, так и влияние на его выходной сигнал внешних помех.

Проиллюстрируем сказанное.

И нелинейные искажения, и помехи, пришедшие не со входа – все то, что появилось после сумматора ОС (рис. 10.17) можно представить в виде эквивалентной ЭДС е_п, складывающейся с выходным сигналом.

Запишем уравнение структуры:

(U_вх – βU_вых)∙К + е_п = U_вых

Отсюда

Таким образом, сигнал усиливается в К раз сильнее, чем помеха. Обычно Кβ >> 1, в этом случае помеха эффективно ослабляется.

Входное сопротивление

Изменение входного сопротивления усилителя, охваченного цепью ОС, зависит от способа ее введения во входную цепь устройства. Ранее было показано, что по способу введения ОС подразделяется на последовательную и параллельную. Рассмотрим изменение R_вх усилителя в обоих случаях.

Последовательная ООС (рис. 10.18, а).

Т. обр., введение в усилитель последовательной ООС увеличивает его входное сопротивление.

Схема для анализа влияния параллельной ООС показана на рис. 10.18, б. Анализ дает:

Следовательно, введение цепи параллельной ООС уменьшает входное сопротивление усилительного устройства.

Выходное сопротивление усилительного устройства, охваченного цепью ОС, зависит только от способа снятия сигнала обратной связи и не зависит от того, каким образом этот сигнал введен в его входную цепь. Рассмотрим структурные схемы (рис. 10.19) усилительного устройства с цепью ООС по выходному напряжению (а) и по выходному току (б).

Выходное сопротивление определяется, как учили в ТОЭ, из опытов ХХ и КЗ. Схемы для анализа в случае ООС по напряжению и току приведены на рис.

Анализ дает: для случая цепи ООС по напряжению (рис. 10.19. а)

Из найденного выражения следует, что введение в усилительное устройство ООС по выходному напряжению уменьшает его выходное сопротивление.

Этот же вывод легко сделать из рассмотрения самого принципа ООС. Любая ООС стремится поддержать неизменным значение того параметра, который используется для получения сигнала ОС. Поэтому ООС по выходному напряжению при действии внешних возмущений, в частности изменении выходного тока, стремится поддержать неизменным значение выходного напряжения усилителя. Это эквивалентно уменьшению его выходного сопротивления.

В случае ООС по выходному току (рис. 10.19, б)

Таким образом, введение цепи ООС по выходному току увеличи­вает выходное сопротивление усилителя.

Здесь также возможно качественное рассуждение. ООС по току стремится поддержать ток неизменным при различных возмущениях, в частности, при изменениях Z_н. Таким образом, усилительное устройство приближается по свойствам к источнику тока, имеющему большое (в идеале – бесконечное ) выходное сопротивление.

Все изложенное относительно ОС показывает, что введением различных цепей ОС можно в значительной мере изменять свойства усилительного устройства (и вообще любого устройства преобразования сигналов), что открывает широкие возможности для создания устройств с заданными характеристиками.

Устойчивость усилителя

Устойчивость является обязательным условием функциониро­вания любого усилителя. В физическом понимании свойство устойчивости означает, что конечные изменения входного сигнала или действие небольших (в оговоренных пределах) внешних возмущений или изменений параметров усилителя не приводят к значительным, неограниченным отклонениям выходного сигнала. При нарушении устойчивости усилитель либо входит в режим насыщения и не реагирует на входной сигнал, либо входит в режим автоколебаний: на выходе появляются периодические колебания большой амплитуды.

Особенно остро стоит проблема устойчивости усилителей с большим коэффициентом усиления, так как при этом паразитные ОС (через емкости и индуктивности монтажа, через ненулевое сопротивление источника питания) могут проявиться как ПОС и могут вызвать самовозбуждение усилителя.

Устойчивость динамических систем и влияние на нее ОС – предмет ТАУ. Там изучаются как способы оценки устойчивости, так и различные способы коррекции для обеспечения устойчивости.