Процесс обратной связи

Размещено на http: //www.allbest.ru/

Введение

Понятие "обратная связь" (ОС) относится к числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком смысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве "системы" может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем - за выходными данными (положением машиты и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.

1. Предварительные сведения об обратной связи

Отрицательная обратная связь - это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. "К нашему изопрелению отнеслись так же, как к вечному двигателю" (журнал IEEE Spectrum за декабрь 1977 г.). Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.

Цепь ОС может быть частотно-зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты (примером может служить предусилитель звуковых частот в проигрывателе со стандартом RIAA); если же цепь ОС является амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС используется логарифмическая зависимость напряжения UБЭ от тока IК в диоде или транзисторе). Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю), с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Вообще говоря, тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.

Обратная связь может быть и положительной; ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции.

2. Обратная связь и ее влияние на характеристики усилителя

Если на вход усилителя, помимо сигнала от внешнего источника, поступает также выходной сигнал или его часть, то в усилителе присутствует обратная связь (ОС).

Существует два вида ОС: внутренняя и внешняя.

При внутренней ОС часть выходного напряжения U поступает на вход усилителя за счет внутренних цепей активных элементов.

Попадание выходного сигнала на вход может происходить также из-за нерационального размещения отдельных усилительных каскадов.

Такие ОС называются паразитными. Для их исключения применяют следующие меры:

ь рациональное расположение деталей;

ь разбиение на блоки, секции;

ь экранирование.

При специально созданной внешней ОС напряжение или ток ОС поступает на вход усилителя за счет введения в схему дополнительных элементов и цепей.

Такая ОС широко используется при конструировании усилителей, так как позволяет целенаправленно влиять практически на все показатели усилителя.

рисунок 1

Представим усилитель в виде четырехполюсника, выход которого соединим с входом четырехполюсника ОС, а выход четырехполюсника ОС с входом усилителя (рисунок 1).

Допустим, что четырехполюсник-усилитель обладает коэффициентом усиления К, а четырехполюсник ОС - коэффициентом передачи по напряжению ?ос.

Коэффициентом передачи называется отношение выходного напряжения (тока, мощности) к входному напряжению (току, мощности).

По своей сути коэффициент усиления и коэффициент передачи идентичны, но для пассивных четырехполюсников чаще используют понятие коэффициента передачи.

В реальных условиях четырехполюсник ОС не всегда присутствует в явном виде, однако, всегда можно найти численное значение:

 и формально ввести четырехполюсник и прийти к изображенной на рисунке 1 схеме.

Напряжение на входе усилителя образуется при сложении напряжений (или токов) источника сигнала и цепи ОС. Если входной сигнал и сигнал ОС синфазны, то напряжение больше и обратную связь называют положительной (ПОС).

Если напряжения Umвх и Umос противофазные, то ОС называют отрицательной ОС (ООС).

В зависимости от того, как образуется сигнал ОС, различают ОС по напряжению и ОС по току (рисунки 2 и 3 соответственно).

рисунок 2 рисунок3

В первом случае сигнал ОС образует непосредственное сопротивление нагрузки, и коэффициент передачи цепи ОС равен:

Во втором случае последовательно с Zн включают сопротивление Zос, на котором создается падение напряжения Imвых ?Zос и тогда:

рисунок 4

По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС (рисунок 4).

При последовательной ОС на входе усилителя геометрически суммируется напряжения входного сигнала и сигнала ОС. При параллельной ОС происходит геометрическое суммирование токов.

Полученные схемы формирования ОС и подачи его во входную цепь дают возможность получить схемы с существенным отличием характеристик.

Рассмотрим конкретные примеры влияния ОС на свойства усилителя.

Вернемся к общей приведенной схеме ОС.

Напряжение на выходе усилителя, активного ОС, можно записать в следующем виде:

,

где Um1 - напряжение, воздействующее на вход усилителя, с учетом сигнала ОС; K _ коэффициент усиления без учета ОС; Кос - коэффициент усиления каскада с учетом ОС.

Зная, что из предыдущего получим:

где - характеризует глубину ОС и называется петлевым усилением.

В общем случае ?0, К, Кос - комплексные величины, но в определенном частотном диапазоне их можно считать вещественными, тогда:

.

При положительной ОС (когда ?ос?К >0) коэффициент усиления возрастает. При ?ос?К=1 усилитель превращается в генератор. При отрицательной ОС (когда ?ос?К<0) коэффициент усиления уменьшается:

.

То есть, при отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается в (1-?0?К0) раз. Отрицательная ОС (ООС) при этом увеличивает стабильность усилителя и уменьшает все виды искажений.

Введение ООС существенно влияет на величину входного и выходного сопротивлений усилителей.

При последовательной ООС входное сопротивление усилителя определяется как:

При параллельной ООС входная проводимость оценивается по формуле:

Из полученных выражений следует, что при последовательной ООС входное сопротивление увеличивается в (1+?0?К) раз, при параллельной ООС входная проводимость увеличивается на (1+?0?К).

Выходное сопротивление в усилителе с ООС по напряжению можно определить (при Rген<<Zвх) следующим образом:

.

Выходное сопротивление в усилителях с ООС по току определяют как:

,

где

Таким образом, введение ООС по напряжению увеличивает выходное сопротивление усилителя в (1+?0?К) раз, а введение ООС по току увеличивает выходное сопротивление на (1+ ?0?S'?Zн).

3. Усилитель с отрицательной обратной связью

Чтобы увеличить динамический диапазон усилителя, используется отрицательная обратная связь (ООС). Всем известен обычный усилитель с трансформаторной ООС, который успешно используется многими. Единственный его недостаток -- малая развязка между входом и выходом: если нагрузка отлична от 50 Ом, то и полное сопротивление входа не равно 50 Ом.N6NWP описал усилитель с хорошей развязкой, который используется между пассивным смесителем и кварцевым фильтром в приемнике с высокой динамикой. Однако он достаточно сложен.

Описанный ниже усилитель достаточно прост и обладает высокой динамикой, низким коэффициентом шума, полным электрическим сопротивлением входа 50 Ом, которое мало зависит от импеданса нагрузки.

Развязка между входом и цепью ООС основывается на несимметричном делителе мощности (рис.5).

Рисунок 5

В этом делителе действуют следующие соотношения:R2=R3(1+N)/N, R3=(l+N)Rs, R1=R2+R3 Цепи входа и выхода изолированы между собой, и в точке 1 мощность составляет сумму мощности точки 2 и 1/N мощности точки 3. Схема усилителя показана на рис.6.

Рисунок 6

Получены следующие результаты:

- усиление в полосе 5.,.200 МГц -- 10 дБ;

- коэффициент шума на 144 МГц -- 2,5...3 дБ;

- точка IP3 -- +14 дБм;

Развязка между входом и выходом:

Я думаю, что улучшая делитель мощности на входе, можно было бы достичь более постоянных характеристик по всему диапазону.

Размещено на Allbest.ru