Меню

В каком из генераторов нет обратной связи

Тема 13. Обратные связи в усилителях и генераторах

Обратную связь в усилителях используется для повышения стабильности величины усиления, изменения входного и выходного сопротивления, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров В общем случае обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь передачи сигнала ОС называется цепью обратной связи. ОС может охватывать как одиночные каскады ( местная обратная связь ) так и несколько каскадов усиления.

Рис.13.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

Упрощенная структурная схема усилителя с обратной связью показана на рис. 4.1., на котором изображены четырехполюсники усилителя и цепи обратной связи. Коэффициент усиления , коэффициент передачи цепи ОС , – напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. и являются комплексными величинами в широкополосных или высокочастотных усилителях, в диапазоне средних частот их можно считать вещественными. Если , вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырехполюсник.

Обратная связь может быть положительная (ПОС) или отрицательная (ООС). При ООС напряжение, поступающее ко входу усилителя по цепи обратной связи и противофазны. Часто используется случай , когда фазовый сдвиг максимален, то есть ( ).

При положительной обратной связи напряжение совпадает по фазе со входным напряжением , что приводит к сложению сигналов в точке

По способу получения сигнала обратные связи бывают:

– обратная связь по напряжению (рис13.2. ,а), когда сигнал, поступающий на вход цепи обратной связи пропорционален выходному напряжению ;

– ОС по току (рис.4.2. ,б), когда сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи;

Рис 13.2 Структурная схема усилителя с цепью обратной связи а) по напряжению, б) по току.

По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратные связи бывают:

– последовательной (рис.12.2 ,а)– напряжение ОС поступает во входную цепь последовательно с напряжением источника входного сигнала;

– параллельной (рис. 13.2,б) – напряжение ОС поступает во входную цепь параллельно с напряжением источника входного сигнала;

Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току; если же оно стремится к нулю, то осуществляется обратная связь по напряжению

Рис 13.3. Структурная схема усилителя с цепью обратной связи а) последовательной по входу , в) параллельной по входу

Определим соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя , охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, которое является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью.

Коэффициент обратной связи Кос можно записать в общем случае, как

(13.1)

где Uвх — алгебраическое суммарное напряжение входного сигнала и напряжение ОС

(13.2)

Uвыхнапряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью,

(13.3)

. (13.4)

– характеризует усиление и характер петли обратной связи. ( ) — глубина обратной связи.

В общем случае и , тогда

. (13.5)

В этих выражениях jк и jb показывают фазовые сдвиги напряжения сигнала для усилителя и цепи обратной связи. Если , тогда коэффициент обратной связи является вещественным .

. (13.6) Можно увидеть, что коэффициент усиления усилителя уменьшается в 1+bК раз. Этот случай соответствует отрицательной обратной связью, при которой сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе со входным сигналом.

Читайте также:  Генератор электрохирургический ультразвуковой окоф

ООС называется глубокой отрицательной обратной связью, если . В этом случае . (13.7)

Если , то величина bК вещественная и положительная, то есть сигнал обратной связи совпадает по фазе со входным сигналом. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в 1 – bК раз.

(13.8)

При в усилителе возникает условия для самовозбуждения усилителя, охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашел применение в генераторах напряжения.

Влияние ООС на параметры усилителя заключается в уменьшении зависимости влияние коэффициента усиления К, от изменения напряжения питания, старения элементов схемы , а также уменьшении неравномерности частотной характеристики; расширении полосы пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот; уменьшении частотные и. нелинейных искажений.

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется, как

,

. (13.9)

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в (1+bК) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления без ООС, что в общем случае справедливо для любой системы автоматического регулирования с замкнутой петлей ООС. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления усилителя К изменяется напряжение обратной связи , приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препятствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента усиления усилителя при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала (рис. 4.4), при этом полоса пропускания усилителя Df расширяется.

Рис.13.4. Влияние отрицательной обратной связи на АЧХ

Независимо от вида, отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:

1. Уменьшение коэффициента усиления.

2. Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов.

3. Уменьшение уровня нелинейных искажений.

4. Расширение полосы пропускания.

Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.

Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.

Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в усилителях могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие его работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:

– паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания;

– емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

– магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи ( ) усилитель самовозбуждается, т.е. в усилителе возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RС–фильтры. В некоторых случаях первые каскады усилителя даже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают емкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом и требуют большого практического опыта.

Читайте также:  Генератор brait 7500 cu e

Источник

Генераторы колебаний. Функционирование генераторов. Часть 2

Составные части генератора

Большинство генераторов содержат три основных узла:

1. Усилитель. Обычно, это усилитель напряжения. Может быть классов A, B или C.

2. Цепь формирования сигнала. Она состоит из пассивных компонентов, таких как схемы фильтров, которые отвечают за форму и частоту генерируемых колебаний.

3. Цепь положительной обратной связи. Часть выходного сигнала возвращается, поступая на вход усилителя. Таким образом, восстановленный и усиленный сигнал обратной связи возвращается назад и поддерживает выходной сигнал постоянным.


Рис. 1.1.1 — Основные элемента генератора

В общем, генератор строится из усилителя, часть выходного сигнала которого поступает обратно на его вход. Таким образом, усилитель выдаёт сигнал на выходе без необходимости подачи на его вход какого-либо внешнего сигнала, как показано на рис. 1.1.1. Это можно также рассматривать как способ для преобразования постоянного напряжения в переменный сигнал.

Положительная обратная связь

Обратная связь в усилителе генератора должна быть положительной. Это состояние, когда часть выходного сигнала с усилителя поступает снова на вход, чтобы быть в фазе с входным, и за счёт сложения входного сигнала и сигнала обратной связи, амплитуда входного сигнала увеличивается. Например, усилитель по схеме с общим эмиттером создаёт фазовый сдвиг на 180° между его входом и выходом, тогда петля положительной обратной связи должна обеспечивать фазовый сдвиг выходного сигнала, поступающего обратно на вход, так же в 180° для того, чтобы схема положительной обратной связи работала.

Результатом небольшого «количества» положительной обратной связи является возрастающее усиление, дающееся ценой возрастающих шумов и искажений. Если величина положительной обратной связи достаточно большая, в результате получаются колебания, где усилитель выдаёт свой собственный сигнал.

Использование положительной обратной связи

Когда усилитель работает без обратной связи, то он находится в режиме с «разомкнутой петлёй». С обратной связью (или положительной, или отрицательной) усилитель находится в режиме с «замкнутой петлёй». В обычных усилителях отрицательная обратная связь используется реализации преимуществ касательно полосы пропускания, искажений и генерации шумов, и в этих схемах усиление при замкнутой петле обратной связи намного меньше, чем усиление при разомкнутой петле. Несмотря на это, когда используется положительная обратная связь, то усиление при замкнутой цепи обратной связи (когда она присутствует) будет больше, чем при разомкнутой цепи обратной связи, коэффициент усиления этого усилителя увеличивается за счёт обратной связи. Дополнительный эффект от введения положительной обратной связи это уменьшение полосы пропускания (но это не существенно для генераторов, производящих синусоидальные колебания одной частоты) и увеличение искажений. Несмотря на это, даже довольно сильные искажения в усилителе допустимы для некоторых конструкций синусоидальных генераторов, где форма выходного сигнала не настолько важна.

Читайте также:  Как проверить тестером исправность генератора

В генераторах, использующих положительную обратную связь, очень важно то, что амплитуда сигнала на выходе генератора остаётся стабильной. Так что усиление замкнутой петли обратной связи должно быть равно 1 (единице). Другими словами, коэффициент усиления усилителя должен соответствовать ослаблению сигнала в цепи обратной связи. Таким образом, там не будет возникать ни увеличения, ни уменьшения амплитуды выходного сигнала, как показано на рисунке 1.1.2.

Требования к колебаниям

Положительная обратная связь должна происходить на частоте, когда коэффициент усиления по напряжения соответствует ослаблению (делению) сигнала, которое происходит в узле обратной связи. Например, если 1/30 часть выходного сигнала поступает назад в фазе с входным сигналом на требуемой частоте, и коэффициент усиления усилителя (без учета обратной связи) при этом равен 30, то колебания будут иметь место.

Колебания должны происходить на одной конкретной частоте.

Амплитуда колебаний должна быть постоянной.

Используется множество различный конструкций генераторов, каждая конструкция обеспечивает вышеуказанные требования разными способами. Некоторые конструкции предназначены для генерирования сигналов определенной формы. или работают лучше в какой-то определенной полосе частот. Какая конструкция бы не использовалась, стабильность частоты и амплитуды выходного сигнала обеспечивается одним из трёх основных методов.

Убедитесь, что положительная обратная связь работает только на той частоте, которая требуется. Этого можно достигнуть, если обеспечить поступление только сигнала требуемой частоты, или обеспечив сигнал обратной связи в правильной фазе только на одной частоте.

Убедитесь, что достаточное усиления для колебаний имеет место только на требуемой частоте, используя усилитель с очень узкой полосой пропускания, работающий только на требуемой частоте.

Используйте усилитель в «ключевом режиме», чтобы переключать выход между двумя установленными значениями напряжения, совместно с каким-нибудь способом временной задержки для управления временем, в течении которого усилитель включен или выключен, контролируя таким образом временные интервалы генерируемого сигнала.

Методы 1 и 2 широко используются в синусоидальных генераторах (в то время как метод 3 удобен для генерирования прямоугольных колебаний), и иногда называются апериодическими (расстроенными) генераторами. Генераторы, использующие метод 3, часто используют более одного усилителя и несколько времязадающих цепей, поэтому часто называются мультивибраторами.


Рис. 1.1.2 — необходимость стабильной амплитуды

Стабильность амплитуда

Как показано на рисунке 1.1.1, генератор должен иметь усилитель, цепь положительной обратной связи и какой-либо способ контроля частоты. В синусоидальных РЧ-генераторах частота может задаваться с помощью настраиваемого LC-контура, однако наряду с управлением частотой колебаний, также должен обеспечиваться какой-либо метод (такой как отрицательная обратная связь) для стабилизации амплитуды генерируемого сигнала.

Без такой стабилизации колебания будут либо затухать и остановятся, либо внезапно увеличится их амплитуда и усилитель будет производить сильные искажения из-за того, что транзисторы усилителя войдут в режим насыщения ( «перегрузки») как показано на рисунке 1.1.2. Для генерирования сигнала постоянной амплитуды, коэффициент усиления усилителя автоматически «подстраивается» во время колебаний.

Источник

Adblock
detector