Обратные связи в усилителях

В усилителях нередко часть вы­ходного напряжения подается на их вход через так назы­ваемый четырехполюсник обратной связи, т. е. осуществ­ляется обратная связь. Обратная связь оказывает большое влияние на параметры усилительных каскадов.

При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи пропорционален напряжению на выходе усилителя. Есть и обратные связи по току — в них сигнал обратной связи снимается обычно с резистора, включенного после­довательно с нагрузкой. В этом случае падение напряже­ния на этом резисторе (а следовательно, и напряжение обратной связи) пропорционально току нагрузки.

Обратная связь характеризуется важным параметром — глубиной А. Он определяет, во сколько раз изменяются параметры усилителя при введении обратной связи. Глу­бина обратной связи по напряжению определяется как А = 1 - росК0, где Рос — коэффициент, указывающий, какая часть напря­жения подается в виде сигнала обратной связи, К0 — коэффициент усиления усилителя. Величина Р0СК0 назы­вается петлевым усилением, причем она положительна при положительной обратной связи и отрицательна при отрицательной обратной связи. В дальнейшем мы будем вести речь только об отрицательной обратной связи, так что для нее А= 1 + роск0.

Теория обратной связи показывает, что при введении отрицательной обратной связи по напряжению коэффи­циент усиления усилителя уменьшается в А раз, но во столько же раз уменьшается его относительная нестабиль­ность, внутренние шумы усилителя, коэффициент нели­нейных искажений и выходное сопротивление (отрица­тельная обратная связь по току стремится уменьшить изменения тока в нагрузке, что означает возрастание выходного сопротивления усилителя). Одновременно при­мерно в А раз уменьшается нижняя граничная частота и возрастает верхняя граничная частота. Таким образом, отрицательная обратная связь по напряжению (ООС) — мощное средство улучшения ряда параметров усилителя, но достигается за счет уменьшения коэффициента усиле­ния и усложнения схемы усилителя, при необходимости получить заданное усиление.

Обратная связь может быть внешней (осуществляемой внешними цепями) и внутренней, органично присущей некоторым схемам — порой даже самым элементарным. Так, рассмотренный ранее эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе приближенно можно рассматри­вать как каскад, имеющий 100-процентную внутреннюю отрицательную обратную связь по напряжению. Его коэф­фициент усиления равен К0/(1+р0СК0)=К0/(1+К0)<1, по­скольку Рос=1 (не путайте коэффициент передачи цепи обратной связи 30С с коэффициентом передачи тока базы транзистора). Благодаря столь глубокой отрицательной обратной связи каскад обеспечивает усиление тока с малыми нелинейными искажениями, но с чуть меньшим 1 коэффициентом передачи по напряжению (коэффициент передачи по току повторителя в пределе равен (И1).

Итак, ООС является одним из способов улучшения параметров усилителей. Эта концепция, однако, в послед­ние годы была существенно пересмотрена. Дело в том, что при перегрузках усилителей, когда дифференциальное значение К0 падает, уменьшается и глубина обратной связи. При некоторых видах нелинейности (например, при ограничении усилителем верхушек синусоиды на выходе) дифференциальное значение К0 стремится к нулю и обратная связь попросту исчезает. Поэтому этот вид искажений принципиально невозможно устранить отри­цательной обратной связью — она действует до тех пор, пока усилитель является почти линейным (словом, улуч­шает усилитель там, где он и так хорош).

Более того, ограничение амплитуды при отрицатель­ной обратной связи носит более резкий характер, что на слух воспринимается подчас куда хуже, чем плавное огра­ничение. Сходна и ситуация с динамическими искажени­ями — они лишь усиливаются при глубокой отрицательной обратной связи, поскольку из-за наличия в тракте обрат­ной связи временных задержек обратная связь не успевает адекватно среагировать на быстрые изменения входного сигнала, и для них коэффициент усиления каскада во время таких задержек резко возрастает. Это ведет к пере­грузкам усилителя, хорошо воспринимаемым на слух как резкие хлопки, хрипы и т. д.

Исходя из сказанного ясна, тенденция избегать глубо­ких (или вообще) обратных связей в усилителях мощнос­ти, а нужные параметры получать за счет применения самых современных активных приборов (или наших ста­рых знакомых — электронных ламп) и новых схемотехни­ческих решений. Прекрасные результаты дает применение мощных полевых транзисторов и различных схем усили­тельных каскадов с повышенной линейностью (в частно­сти, балансных и дифференциальных).

Некоторые разработчики любительских усилителей объявили всемирную борьбу с обратными связями. Это чистейшей воды дилетантство. Внутренние обратные свя­зи есть во всех известных приборах, причем подчас доволь­но глубокие. Например, традиционно признанный луч­шим по «звучанию» ламповый триод имеет свои превосходные характеристики именно благодаря глубокой отрицатель­ной обратной связи через промежуток «анод—сетка».

Завершая этот раздел, следует отметить, что часто (если не сказать, повсеместно) встречаются паразитные обратные связи. Например, емкость Сас участка «анод-сетка» у электронных ламп создает так называемую параллельную емкостную обратную связь по напряжению. Это приводит к увеличению входной емкости лампы.

Данный эффект получил название эффекта Миллера (по имени обнаружившего его впервые специалиста). Он присущ не только лампам, но и всем приборам с тремя электродами — в том числе биполярным и полевым транзисторам, также имеющим междуэлектродные емкости. Порою из-за этого эффекта емкость входных цепей возрастает настолько, что становится главной причиной спада усиления на высоких частотах.

Паразитные обратные связи могут осуществляться через паразитные монтажные емкости, благодаря индук­тивной связи между проводниками, вследствие питания различных каскадов от источников питания низкого каче­ства (с повышенным выходным сопротивлением) и т. д. Тщательная конструкция и монтаж усилителей сводят влияние паразитных обратных связей к минимуму.