Тема 1. 7 зворотний Зв’язок у підсилювачах

1 Паралельний та послідовний зворотні зв’язки.

2 Зв’язок за струмом та напругою.

3 Вплив негативного зворотного зв’язку на параметри підсилювача (вхідний та вихідний опори, коефіцієнт підсилення, коефіцієнт частотних спотворень, стійкість підсилювача).

Література: Бойко, с.122 – 123, В.І.Мілих, с.555-557

Література:		Бойко В.І., Гуржій А.М.Основи технічної електроніки, 2007
		Бойко В.І., Гуржій А.М., Жуйков В.Я. Основи схемотехніки електронних систем, 2004
		Гуржій А.М.,Самсонов В.В., Поворознюк Н.І. Імпульсна та цифрова техніка, 2005
		Джонс М.Х. Електроніка-Практичний курс, 2006
		Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы, 2002
		Колонтоєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка, 2003
Самостійно	год.	Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители Питання для розгляду 1. Типові схеми підсилювачів з від’ємним зворотнім зв’язком (ВЗЗ) [7], с. 219; 221-226 Завдання Законспектувати практичні схеми підсилювачів з різними видами ВЗЗ, а саме з послідовним ВЗЗ за струмом, паралельним ВЗЗ за напругою і струмом, та послідовним за напругою.

Мета: повинні знати Паралельний та послідовний зворотні зв’язки. Зв’язок за струмом та напругою Вплив негативного зворотного зв’язку на параметри підсилювача (вхідний та вихідний опори, коефіцієнт підсилення, коефіцієнт частотних спотворень, стійкість підсилювача)

Рефлексія: що ви повинні вивчити в даній лекції?

Зворотні зв'язки є ефективним засобом коригування характеристик підсилювача. Вони змінюють коефіцієнти підсилення, рівень власних шумів, частотні та фазові характеристики, нелінійні спотворення та інші параметри.

Зворотним зв'язком (ЗЗ) називається передача частини енергії вихідного сигналу.

Колом зворотного зв'язку (ЗЗ) називають пристрій, за допомогою якого частину виходної напруги передають на вхід підсилювача.

Зворотний зв'язок може бути корисним, якщо він виникає в результаті застосування спеціальних схем і служить для поліпшення властивостей підсилювача, або паразитним, якщо він виникає за рахунок небажаного впливу різних ланцюгів один на одного.

Із застосуванням зворотних зв′язків ми вже зустрічалися, коли розглядали будову мультивібраторів, тригерів на дискретних елементах (внутрішній додатній зв′язок) та температурну стабілізацію режиму спокою підсилюючого каскаду (від′ємний зворотний зв′язок).

Рис.1 Рис.2

На рис.1 зображена простіша схема підсилювача з зовнішнім ЗЗ. Точка 1 відповідає входу підсилювачі без ЗЗ, а точка 2 – виходу. Ланцюг підсилювача з коефіцієнтом підсилення К_U між точками А і В охоплений ЗЗ. Ланцюг між точками В і А, по якому енергія сигналу подається з виходу на вхід – ланцюг ЗЗ з коефіцієнтом передачі за напругою β. Ланцюг ЗЗ спільно з ланцюгом підсилювача, яку охоплює, створює замкнений контур (А - 1- підсилювач – В - коло ЗЗ - А), і називається петлею ЗЗ. Добуток β ∙ К_U називається петлевим підсиленням. Розрізняють однопетльову ЗЗ і багатопетлеву ЗЗ (рис.2).

ЗЗ класифікують за кількома ознаками:

1) Способом підключення ланки ЗЗ до входу підсилювача (за способом введення енергії сигналу):

- послідовні (якщо джерело вхідного сигналу і вихід ланки зворотного зв'язку ввімкнені послідовно) (рис.3);

- паралельні ЗЗ (якщо джерело вхідного сигналу і вихід ланки зворотного зв'язку ввімкнені паралельно)(рис.4);

- комбіновані

Рис.3 Рис.4

2) За способом підключення ланки ЗЗ до виходу підсилювача (за способом зняття енергії сигнала) розрізняють:

- за струмом (якщо сигнал ЗЗ пропорційний вихідному струму пдсилювача) (рис.5).

При цьому вхід ланцюга ЗЗ підключається послідовно з навантаженням Z_Н , за допомогою резистора R_ЗЗ. Напруга на вході ланцюга ЗЗ U_ЗЗ = U_Rзз прямо пропорційна струму через навантаження І_ЗЗ ≈ І_Н =І_вих . U_ЗЗ = R_ЗЗ · і_ВИХ, де R_ЗЗ – взаємний опір вихідного ланцюга і ланцюга зворотного зв'язку.

Рис.5

- за напругою (якщо сигнал ЗЗ пропорційний вихідній напрузі) (рис.8). Вхід ланцюга ЗЗ підключається паралельно опору навантаження Z_Н. Напруга на вході ланцюга ЗЗ U_ЗЗ дорівнює напрузі на виході підсилювача U_вих. U_ЗЗ може не дорівнювати U_вих , але повинно бути пропорційна, якщо використати дільник напруги на резисторах R1R2 (рис.9). При цьому вихідний струм І_вих відрізняється від струму через навантаження І_Н.

Рис.6 Рис.7

- змішана ЗЗ на рис.7

Розглянемо підсилювач П з коефіцієнтом підсилення К = U_ВИХ / U_П охоплений ЗЗ за напругою з коефіцієнтом передачі β, при цьому U_ЗЗ = β · U_ВИХ.

При вхідному сигналі U_ВХ, що підлягає підсиленню, у залежності від полярності U_ЗЗ напруга на вході підсилювача:

U_П = U_ВХ ± U_ЗЗ = U_ВХ ± β · U_ВИХ. (1)

ЗЗ називається від'ємним (ВЗЗ), коли частина вихідного сигналу надходить на вхід підсилювача у протифазі з вхідним сигналом U_ВХ (знак мінус в (1)), тобто віднімається від вхідного. ЗЗ називається додатним (ДЗЗ), якщо U_ЗЗ має таку ж фазу, що і U_ВХ (знак плюс в (1)), тобто частина вихідного сигналу дадається до вхідного сигналу підсилювача.

ЗЗ називається частотно-залежним, якщо ланка зворотного зв'язку місить реактивні елементи, і частотно-незалежним, якщо ланка ЗЗ побудована тільки з резистивних елементів. Коефіцієнт передачі ланки ЗЗ β є функцією частоти β = f(ω), тому частотно-залежний зв'язок називають гнучким.

Напруга на виході підсилювача:

U_ВИХ = К · U_П = К · (U_ВХ ± β · U_ВИХ). (2)

Таким чином коефіцієнт підсилення підсилювача, що охоплений ЗЗ:

К_ЗЗ = U_ВИХ / U_ВХ = К / (1 ± К·β). (3)

У випадку ВЗЗ коефіцієнт підсилення зменшується (знак плюс в (3)), у випадку ДЗЗ – збільшується. Здебільшого підсилювачі проектуються таким чином, що виконується нерівність К·β>>1, тоді рівняння (3) набуде вигляду К_ЗЗ = 1 /β (тобто коефіцієнт підсилення підсилювачі залежить тільки від параметрів ланки ЗЗ і не залежить від параметрів каналу прямого підсилення. Ця властивість надає змогу знизити вимоги до параметрів (точності, стабільності, частотного діапазону тощо) елементів каналу прямого підсилення підсилювача під час його проектування.

Вхідний опір підсилювача, що охоплений зворотним зв´язком рівний

R_{ВХ. ЗЗ} = R_ВХ ·(1± β · К) (4)

Вихідний опір підсилювача, що охоплений ЗЗ:

R_{ВИХ. ЗЗ} = R_ВИХ /(1± К · β), (5)

R _ВИХ – вихідний опір підсилювача, коли ЗЗ відсутній.

У (4) та (5) знаки «-» - для ДЗЗ, «+» - для ВЗЗ.

 

 

Вплив ВЗЗ на вхідний і вихідний опори підсилювача

Підсилювач з паралельним ВЗЗ за напругою зменшує вхідний і вихідний опори.

Підсилювач з послідовним ВЗЗ за напругою збільшують вхідний і зменшують вихідний опори.

Підсилювач з паралельним ВЗЗ за струмом зменшує вхідний і збільшує вихідний опори.

Підсилювач з послідовним ВЗЗ з а струмом збільшує вхідний і вихідний опори.

ЗЗ дозволяє впливати на основні експлуатаційні параметри підсилювача. Він збільшує або зменшує, в залежності від необхідності, коефіцієнт підсилення, вхідний і вихідний опори, стабілізує роботу схеми. За допомогою ЗЗ створюються автогенератори електричних сигналів.

ВЗЗ зменшує коефіцієнт підсилення, а ДЗЗ – збільшує, але в режимі підсилення електричних сигналів використовується ВЗЗ, який забезпечує незмінність коефіцієнта підсилення при зміні параметрів транзисторів, а також знижує рівень нелінійних спотворень.

Нявність ДЗЗ змінює режим і підсилювач переходить в режим генерування сигналів.

Отже, за позитивного 33 нестабільність коефіцієнта підсилення підсилювача зі 33 збільшується, а за негативного 33 - зменшується.

Для від'ємного ЗЗ фактор зворотного зв′язку буде (- β К). З урахуванням цього можна зробити висновок, що ВЗЗ зменшує коефіцієнт підсилення підсилювача, оскільки (1 + β К) > 1. Тому ВЗЗ зменшує коефіцієнт підсилення підсилювача в (1 + β К) разів, а додатній ЗЗ – збільшує.

Негативний 33 змен­шує рівень власних шумів на фактор зворотного зв'язку, а позитивний - >- збільшує. Тому застосування глибоких нега­тивних 33 істотно підвищує чутливість підсилювачів, при цьому як перший каскад зас­тосовують спеціальні малошумові підсилювальні каскади

R_вихЗЗ = R_вих + R_ЗЗ (1- К_ХХ β)_.

Для В33 за струмом одержимо

R_вихЗЗ = R_вих + R_ЗЗ (1+ К_ХХ β)

Отже, В33 за струмом збільшує вихідний опір підсилювача.

Висновки. Негативний 33 за напругою (паралельне під­ключення) зменшує вихідний опір підсилювача, наближаю­чи його до джерела ЕРС, а негативний 33 за струмом (послі­довне підключення) - збільшує вихідний опір підсилювача, наближаючи його до джерела струму.

 

Таблиця – Вплив ВЗЗ на вхідні і вихідні параметри підсилювача

Тип вхідного сигналу (і сигналу ВЗЗ)	ВЗЗ за напругою	ВЗЗ за струмом
RВХ	RВИХ	RВХ	RВИХ
Струм (паралельний ВЗЗ)	зменшується	зменшується	зменшується	збільшується
Напруга(послідовний ВЗЗ)	збільшується	зменшується	збільшується	збільшується