Обратная связь в усилителях и схемы их построения

Обратная связь в усилителях и схемы их построения   Общие сведения. Под обратной связью (ОС) понимают связь между выходной и входной цепями усилителя. Функциональная схе­ма усилителя с ОС, где показаны цепь прямой передачи усилителя, характеризуемая усилительным параметром K (коэффициентом уси­ления по напряжению Kн, току Kт и т. д.), и цепь ОС, характеризуемая коэффициентом передачи цепи, обратной связи Р,. При наличии ОС часть энергии усиленных колебаний сиг­нала поступает с выхода на вход усилителя. Обратная связь может специально вводиться в схему усилителя для изменения его характе­ристик или возникать за счет влияния выходных цепей на входные цепи (паразитная обратная связь). 
Виды обратных связей. Различают
 положительную и отрица­тельную специально вводимую ОС. При положительной ОС сигнал с выхода на вход усилителя поступает в фазе с колебаниями входного сигнала, в результате чего коэффициент усиления усилителя возрао тает. Этот вид ОС используется главным образом в автогенераторах. При отрицательной обратной связи (ООС) колебания с выхода на вход усилителя поступают в противофазе с входным сигналом, в ре-зультате чего его коэффициент усиления уменьшается. В усилите­лях обычно используется ООС, улучшающая их качественные пока­затели.
Способы осуществления отрицательной обратной связи. По спо­собу получения сигнала ОС на выходе усилителя различают схемы с ООС:
  •  по напряжению в которых напряжение обратной связи Uр пропорционально напряжению на выходе усилителя Uвых;
  • по току в которых напряжение обратной связи Uз про­порционально току нагрузки; с комбинированной в ко­торых осуществляется комбинация обоих способов. Напряжение обратной связи можно подать на вход усилителя либо последовательно, либо параллельно с входным сигналом.

Со­ответственно различают последовательную (со сложением напряже­ний,) и параллельную схемы обратной связи (со сложением токов, Цепь обратной связи может охватывать весь уси­литель или его часть. В усилителе может быть несколько (зависи­мых или независимых друг от друга) цепей обратной связи.

Влияние ОС на основные параметры усилителя. Коэффициент усиления усилителя с ОС определяем на примере схемы усилителя с последовательной обратной связью по напряжению),
Если на вход усилителя подается напряжение Us, коэфициент (фактор) обратной связи показывает, какую часть выходного напряжения составляет напря­жение обратной связи. При положительной обратной связи коэффи­циент Р .может принимать значения от 0 до +1, а при отрицатель­ной — от 0 до — 1. Обычно в схемах усилителей р =0.05-0,2.Напряжение обратной связи Uр=±рUвых пропорционально выходному напряжению. Результирующее .напря­жение на входе-усилителя U=Uвх+Uр=Uвх+(±РUвых), откуда UВх=U-(±рUвых). Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, определяется как отношение исходного напряжения к входному внешнего источника Кp = Uвых/Uвх=Uвых/[±pUBЫХ)]. Очевидно, при положительной обратной связи К$=К/[1 — (±РK)]=K/(1 — РK) возрастает в (1 — рK) раз, а при отрицатель­ной Kр=K/(1 + рK) — уменьшается в (1 +РK) раз. При глубокой ООС легко получить ЗК>1. В многокаскадном усилителе с большим ко­эффициентом усиления K это соотношение реализуется даже при малой величине р, поэтому коэффициент Kр=1/р. Отсюда видно, что усиление усилителя не за­висит от К, т. е. от параметров схемы усилителя и числа его каска­дов, а определяется лишь коэффициентом передачи р цепи ОС. При наличии ООС коэффициент нестабильности усиления е=ДKр/Кр = АK-1/K(1 + РK) уменьшается в (1+рK) раз, чем достигается ста­билизация усиления независимо от причин, вызвавших эти измене­ния. Входное сопротивление усилителя с ОС зависит от способа по­дачи напряжения обратной связи, вида обратной связи и ее глуби­ны. Последовательная ООС по напряжению и току увеличивает входное сопротивление, а параллельная 1 (по напряжению и току) — уменьшает.
Выходное сопротивление усилителя с ОС зависит от способа по­лучения напряжения ОС, от ее вида и глубины. Последовательная, и параллельная ООС по напряжению уменьшает, а Последовательная  и параллельная ООС по току уве­личивает выходное сопротивление усилителя. При последовательной ОС конечное сопротивление источника сиг. нала снижает глубину ОС, поэтому последовательную ОС целесо­образно применять в усилителях напряжения. При параллельной ОС сопротивление источника сигнала оказывает обратное действие (при его уменьшении глубина ОС также уменьшается), поэтому парал­лельную ОС рекомендуется применять в усилителях тока. В усили­телях с токовым выходом ОС по напряжению нецелесообразна, по­скольку она уменьшает выходное сопротивление. 
Отрицательная обратная связь в (1 + pK) раз снижает сигнал гармоник, возникающий из-за нелинейных искажений. Аналогичное влияние она оказывает на напряжение помех (фон, наводка). При отсутствии фазовых искажений и относительно небольших нелиней­ных искажениях (Y<10-15 %) коэффициент нелинейных искаже­ний усилителя с ООС уменьшается в (1 + рK) раз. При высоком уровне нелинейных искажений ООС не способствует их уменьшению, а кроме того, может перейти в положительную за счет дополнительных фазовых сдвигов высших гармоник и тогда нелинейные. иска­жения возрастут. Для снижения нелинейных искажений ООС обычно вводят в выходные каскады с наибольшими диапазонами выход­ных напряжений. При малых фазовых сдвигах Ф сигнала и независимой от часто­ты цепи ООС в усилителе коэффициент частотных и фазовых иска­жений Мр=M(1+роKо)/(1 + РоК); ф3~ф(1 + |ЗK).
Отсюда следует, что ООС уменьшает частотные и фазовые иска­жения примерно в (1 + роKо) раз, поэтому частотная, характеристика Kр=ф(f) (против K) выравнивается что способствует расширению полосы пропускания усилителя Af2>Af1. При ООС по на­пряжению уменьшение частотных искажений (расширение полосы пропускания) достигается за счет снижения Ко на средних частотах. Таким образом, рассмотрена активная обратная связь,, при кото­рой коэффициент Р не зависит от частоты. Если цепь ОС выполнить с реактивными элементами, можно получить частотно-зависимую об­ратную связь, при которой возможна коррекция частотной характе­ристики усилителя.
Структурная схема усилителя. По схемному построению усили­тели могут быть одно- и многокаскадными. Число каскадов опреде­ляется требованиями, предъявляемыми к усилителям. Структурная схема усилителя состоит из входного и выходного уст­ройств, предварительного и мощного усилителей, нагрузки и источ­ника электропитания. Входное устройство Вх.У служит для передачи сигнала от ис­точника ИС во входную цепь первого усилительного элемента, обес­печивая согласование сопротивлений и уровней сигнала, симметри­рование цепей, разделение цепей постоянной составляющей источни­ка сигнала и входной цепи усилительного элемента. Входное устрой-ство в виде симметрирующего трансформатора превра­щает несимметричную входную цепь усилителя в симметричную, а в виде резистора с разделительным конденсатором обеспечивает разделение постоянной составляющей тока или напряжения в выходной цепи источника сигнала и во входной цепи усилительно­го элемента. Резистор с регулируемым сопротивлением, осуществляет регулировку уровня подводимого сигнала.
Предварительный усилитель ПУ, одно- или многокаскадный обеспечивает усиление напряжения, тока или мощности сигнала до значения, необходимого для нормальной работы  усилителя.
Мощный усилитель МУ предназначен для отдачи в нагрузку Я требуемой мощности сигнала, что осуществляется соответствующим выбором усилительных элементов схемы и ее построением.

Выходное устройство Вых. У служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи последнего каскада в нагрузку Н. Выход­ное устройство в виде выходного трансформатора (обес­печивает оптимальную нагрузку усилительному элементу выходного каскада или согласовывает выходное сопротивление усилителя с со­противлением нагрузки. При работе несимметричного выходного кас­када на симметричную нагрузку (например, симметричную двухпро­водную фидерную линию) в выходную цепь усилителя включают симметрирующий трансформатор.

.