Глава 5. Основные параметры и принципы построения усилителей и генераторов на ОУ (0,5 лекции)

5.1. Параметры усилителей с обратными связями

Усилитель является невзаимным элементом, т.е. передает сигналы преимущественно в одном направлении с входа на выход. Свойства устройств, построенных на базе усилителей, существенно зависят от параметров контура (петли) обратной  связи (ОС), который образует замкнутый путь распространения сигналов в структуре.

Структурная схема многокаскадного усилительного устройства содержит пути прямой передачи сигналов (α₁, α₂, α₃) и контуры обратной связи, охватывающие один (γ₁ - K₁) или несколько (γ₂ - K₁ - α₂ - K₂) каскадов (рис.5.1,а).

Рис 5.1. Структура многокаскадного усилителя (а) и каскад с обратной связью (б)

Влияние обратной связи на параметры преобразователя можно выявить на обобщенной схеме, содержащей усилитель, охваченный цепью обратной связи через пассивный четырехполюсник (рис.5.1,б). Выходной сигнал Y усилителя (ток i или напряжение u), характеризуемого передаточной функцией K(р), проходит через четырехполюсник обратной связи с коэффициентом передачи γ(р). Результат X₀ суммируется с воздействием X (J или V) и служит входным сигналом X₁ усилителя.

Анализ статических параметров преобразователя с обратной связью (коэффициентов передачи, входного и выходного сопротивлений) выполняется с помощью резистивных моделей каскада и четырехполюсника. В зависимости от характера влияния на входной сигнал усилителя выделяют виды обратной связи:

- отрицательную (ООС), уменьшающую сигнал на входе X₁ = X – X₀;

- положительную (ПОС), повышающую сигнал на входе X₁ = X + X₀.

Увеличение сигнала на входе усилителя при положительной обратной связи в некоторых случаях может скомпенсировать потери в пассивных элементах контура обратной связи и вызвать режим колебаний в усилителе. На этом принципе работают различные типы генераторов, в которых специально организуют положительную обратную связь. Вместе с тем, в устройствах может образоваться паразитная (не предусмотренная принципом функционирования) обратная связь, которая может привести к нежелательным колебаниям в усилителе. Поэтому для преобразователей с обратной связью обязательным является исследование устойчивости режима работы.

Отрицательная обратная связь оказывает стабилизирующее влияние на параметры усилительных устройств, и ее используют для формирования требуемых характеристик преобразователей. Сигнал обратной связи подают на сумматор со знаком минус и для каскада справедливы соотношения . С учетом уравнения четырехполюсника несложно получить выражение коэффициента передачи усилителя с ООС в виде . Введение в структуру усилителя ООС приводит к снижению общего коэффициента усиления, но обеспечивает снижение его относительного изменения (стабилизацию) в соответствии с выражением

При значительном усилении в контуре обратной связи  çγKú >> 1 имеем K_oc@ 1/γ, и параметры устройства практически полностью определяются параметрами цепи обратной связи, которые можно выполнить стабильными.

Входные и выходные сигналы каскада и четырехполюсника обратной связи представлены напряжением или током и возможны разные способы образования сигнала обратной связи:

- пропорционально выходному току (рис.5.2,а) или выходному напряжению (рис.5.2,б);

- подаче его на вход последовательно с источником напряжения (рис.5.2,в) или параллельно источнику тока (рис.5.2,г).

Сочетание указанных способов соединения образует различные виды обратной связи: параллельную по напряжению, параллельную по току, последовательную по напряжению и последовательную по току.

Рис. 5.2. Схемы снятия сигнала ОС пропорционального току (а), напряжению (б) и подача его на вход последовательно (в) или параллельно (г)

Анализ схем преобразователей с цепями обратной связи можно выполнить с использованием общих методов расчета электронных цепей. Например, при расчете статических параметров усилителя с параллельной ООС по напряжению замена ОУ резистивной моделью, подключение источника, нагрузки и цепи ОС дает расчетную схему, приведенную на рис.5.3.

Рис. 5.3. Эквивалентная схема усилителя с параллельной ООС по напряжению.