Обратная связь в усилителях
Под обратной связью (ОС) обычно понимают возвращение части энергии сигнала с выхода активного элемента (усилителя) на его вход или предшествующие цепи. Применение обратной связи может существенно изменить основные показатели усилителей сигналов.
Обратная связь может быть внутренней, связанной с физической природой усилительного прибора, паразитной, создаваемой за счет паразитных связей (ёмкостных или индуктивных) между цепями, и внешней, создаваемой преднамеренно. Обратная связь, охватывающая только один усилительный каскад, называется местной,а два и более каскада – общей.
Внутренними и паразитными обратными связями нельзя управлять, но они нередко изменяют свойства усилителя в нежелательном направлении, например, приводят к самовозбуждению, поэтому предусматриваются специальные меры по их устранению (или ослаблению). Внешняя обратная связь легко управляема и её вводят для улучшения показателей усилителя:
- снижения искажений всех видов,
- уменьшения собственных помех,
- изменения входного и выходного сопротивлений и др.
Усилитель (усилительный каскад) и цепь ОС образуют замкнутое кольцо – петлю обратной связи. Если свойства цепи обратной связи не зависят от частоты, ОС называется частотнонезависимой, в противном случае – частотнозависимой. Существуют различные способы подключения цепи обратной связи к выходу и входу усилителя. Если цепь обратной связи присоединить к выходу схемы параллельно нагрузке, то сигнал обратной связи будет пропорционален напряжению на нагрузке; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению. Отношение напряжения связи к выходному напряжению усилителя называется коэффициентом передачи цепи обратной связи или коэффициентом обратной связи χ. Если цепь обратной связи присоединить к выходу устройства последовательно с нагрузкой, то сигнал обратной связи будет пропорционален току в нагрузке, и обратную связь называют обратной связью по току.
Рис. 4
Способы подключения обратной связи к входу усилителя
К входу усилительного устройства цепь обратной связи также может подключаться двумя способами: последовательно с источником сигнала (рис. 4, а) и параллельно ему (рис. 4, б). В этом случае обратную связь называют соответственно последовательной и параллельной.
Для того чтобы определить, какой является связь - по току или по напряжению, необходимо учитывать, что ОС по току исчезает при обрыве нагрузки, а ОС по напряжению – при коротком замыкании. Чтобы определить, является ли ОС последовательной или параллельной, необходимо учесть, что последовательная ОС исчезает при обрыве источника сигнала, параллельная ОС исчезает при коротком замыкании источника сигнала.
Из теории цепей с обратной связью известно выражение для результирующего коэффициента усиления напряжения
K = 
= 
Обратную связь называют положительной(ПОС, χ > 0), если напряжение связи находится в фазе с напряжением сигнала, подводимого к входу усилителя. Если же напряжение обратной связи находится в противофазе с входным (χ < 0), обратную связь называют отрицательной (ООС). При сдвиге фаз между напряжением обратной связи и входным напряжением, отличающимся как от 0, так и от 180°, обратную связь называют комплексной.
Для количественной оценки ОС используется ряд показателей – петлевое усиление, глубина ОС, фаза петли ОС.
Петлевое усиление– усиление вдоль разомкнутой петли ОС |K| =|K0 ∙ χ|.
Глубина ОСпоказывает, во сколько раз изменяется полное усиление при введении ОС. Фаза петли ОС– сумма фазовых сдвигов, вносимых усилителем (или усилительным каскадом) и цепью ОС. Величина фазы петли ОС определяет характер ОС. Глубина ООС связана с петлевым усилением соотношением: A =1+ K ∙ χ.
В УНЧ в основном применяют отрицательную обратную связь по напряжению. При последовательной ООС по напряжению напряжение сигнала снимается с нагрузки Rни через цепь обратной связи с коэффициентом передачи |χ| < 1 подается во входную цепь, где вычитается напряжение обратной связи UOCиз входного напряжения Uвх. При параллельной ООС из входного тока вычитается ток обратной связи.
ООС приводит к уменьшению полного коэффициента усиления пропорционального глубине ОС. При достаточно глубокой ООС полный коэффициент усиления практически определяется только цепью ОС (обратно пропорционален χ). В связи с этим за счет ООС повышается стабильность коэффициента усиления: относительное изменение коэффициента усиления под влиянием соответствующего дестабилизирующего фактора снижается пропорционально глубине ООС. При увеличении глубины ООС пропорционально уменьшаются также нелинейные искажения и уровень фона и собственных шумов усилителя. При введении последовательной ООС по напряжению уменьшается коэффициент гармоник при условии, что ОС является отрицательной как для первой, так для высших гармоник сигнала.
Однако введением ООС нельзя сделать искажения меньшими, чем они были на входе усилителя.
ОС влияет на входное и выходное сопротивления усилителя, при этом последовательная ООС увеличивает сопротивление (входное или выходное), а параллельная — уменьшает. Степень влияния ООС на сопротивление (аналогично усилению) определяется глубиной ОС.
При введении частотнонезависимой ООС по напряжению расширяется АЧХ усилителя, стабилизируется выходное напряжение, и как следствие, уменьшается неравномерность АЧХ. При помощи частотнозависимой ООС можно придать АЧХ усилителя различную форму.
Устойчивость усилителя с ООС зависит от коэффициента усиления и коэффициента передачи цепи обратной связи, т.е. от глубины ООС. При глубокой ООС фазовые сдвиги на низших и высших рабочих частотах обуславливают появление ПОС, которая вызывает неустойчивость работы усилителя, а иногда и самовозбуждение. Из-за этого в усилителях с глубокой ООС необходимо расширять диапазон частот с линейной ФЧХ.