Влияние обратной связи на характеристики усилителя

Амплитудная характеристика представляет зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения. При ООС по напряжению последовательного вида, действующих на входах и выходах усилителя и цепи ОС, можно записать:

U_вх = U₁ + U_ос

U_вых = f(U₁) – амплитудная характеристика цепи без ОС,

U_oc = U_вых – амплитудная характеристика цепи ОС линейная, если цепь ОС состоит только из пассивных элементов.

U_вых = f(U_вх) – амплитудная характеристика усилителя с ОС.

 

Рис. 7

Соотношение позволяет графически найти амплитудную характеристику усилителя с ОС по амплитудной характеристике усилителя без ОС. Для этого на одном графике, представленном на рис. 7, строятся амплитудные характеристики усилителя без ОС (сплошная линия) и цепи с ОС (пунктирная линия). Затем задаются значениями U_oc = U_вых и находят соответствующие значения U_вх = U₁ + U_ос.

Повторяя эту процедуру многократно, по точкам получаем искомую амплитудную характеристику усилителя с ОС. Как видно из рисунка, амплитудная характеристика усилителя с ОС получается суммированием линейной характеристики цепи ОС с нелинейной характеристикой усилителя без ОС. Суммарная характеристика имеет существенно большую линейность. Это позволяет при тех же значениях выходного напряжения обеспечить меньший уровень нелинейных искажений.

Приближенную количественную оценку влияния ос на нелинейные искажения можно найти в предположении, что сам усилитель линеен, а нелинейные искажения обусловлены действием внешнего источника гармоник, амплитуда которых определяется только уровнем выходного напряжения. В этом случае нелинейные искажения уменьшаются обратной связью во столько раз, во сколько раз падает при введении ОС усиление устройства:

Приближенность такого рассмотрения состоит в том, что не учитывается вторичное искажение сигнала гармоник при прохождении по контуру ОС.

Такие же выводы можно сделать о влиянии ОС на любой источник шумов, фона и.д. Если источник находится в цепи усилителя, охва­ченного ООС, то эффект от его действия на выходе усилителя умень­шается в раз.

Зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига от частоты обусловлена наличием в усилителе реактивных элементов. Применение ОС способствует расширению полосы пропускания частот и снижению частотных искажений в пределах этой полосы.

Расширение полосы равномерного усиления способствует уменьшению фазового сдвига и переходных искажений.

 

Рис. 8

С помощью ОС удается в значительной степени снизить внутренние помехи на выходе усилителя. Допустим, что источник ЭДС расположен где-либо в средней части схемы усилителя, и что коэффициенты усиления от входа и до этой ЭДС, и от этой ЭДС до выхода усилителя равны соответственно K_1е и K₂, причем K_е = K_1еK₂. Усилитель усиливает ЭДС помехи в K₂ раз, а коэффициент передачи по цепи ОС равен , при этом возвратное отношение оказывается таким же, как и для ЭДС на входе, т.е. . Следовательно, напряжение помехи на выходе ослабляется в цепи обратной связи так же, как и сигнал, т.е. в число раз, равное ее глубине. Поскольку ОС ослабляет в равной степени и сигнал, и помеху, то отношение сигнал/шум при действующей ОС остается прежним. Но если при введении ОС с глубиной F одновременно повысить амплитуду сигнала на входе, то отношение сигнал/шум при этом повысится в F раз. Однако отношение сигнал/шум такого вида, как тепловой шум источника, сигналы или шумы во входной цепи усилителя, не удается повысить, применяя ОС. Введение ОС позволяет уменьшить нелинейные искажения, возникающие в усилителе. Физически это определяется тем, что посторонние составляющие выходного напряжения или тока – гармоники и комбинационные частоты – по цепи ОС попадают на вход усилителя и снова попадают на выход, но уже в противофазе. При небольших исходных коэффициентах гармоник усилитель допустимо считать линейным, и тогда гармоники и комбинационные частоты изменяются так же, как и внутренние помехи при сохранении одного и того же значения сигнала на выходе. Это значит, что при одном и том же значении сигнала на выходе при отсутствии и действии ОС коэффициент гармоник окажется меньше в число раз равное глубине ОС. В практических схемах часто встречается не один вид обратной связи, а комбинации различных видов. Обратными связями могут охватываться как отдельные каскады, так и группы каскадов и усилитель в целом. Применение обратных связей может привести в некоторых случаях к самовозбуждению усилителя, что является нежелательным явлением, поэтому особую актуальность имеют вопросы обеспечения устойчивости при охвате усилителей обратной связью. Для анализа устойчивости усилителей с обратной связью применяют либо алгебраические, либо частотные критерии устойчивости. На практике наиболее широко используется частотный критерий Найквиста, позволяющий проводить экспериментальную проверку устойчивости усилителя.