Меню

Положительная обратная связь по мощности

Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется электрическая связь между каскадами или входными и выходными цепями отдельного каскада, при которой часть энергии с выхода поступает обратно на вход.

Если напряжение (ток), поступающее с выхода на вход оказывается в фазе с напряжением (током) входного сигнала, то такую обратную связь называют положительной.

Если напряжение (ток), поступающее с выхода на вход, находится в противофазе с напряжением (током) входного сигнала, то такая обратная связь называется отрицательной.

Обратная связь может быть полезной, когда она способствует улучшению свойств усилителя , и вредной, паразитной, если она возникает произвольно и нарушает устойчивую нормальную работу усилителя.

Положительная обратная связь не находит практического применения в усилителях низкой частоты. Наоборот, если она возникает (внешне это сопровождается гудением и свистом в динамике), то ее стараются уменьшить рациональным расположением деталей и проводов, экранировкой и введением в схему блокировочных конденсаторов и развязывающих фильтров.

Наиболее опасной является положительная обратная связь через источники анодного и сеточного питания в многокаскадных усилителях . Так, в трехступенном усилителе часто возникает самовозбуждение вследствие наличия связи через источник анодного питания между анодными цепями третьей и первой ступенями усиления. При отсутствии развязывающего фильтра переменные составляющие анодных токов первой и третьей ступеней усиления, находящиеся в фазе, на зажимах источника анодного питания (на аноде лампы первой усилительной ступени) создадут пульсирующее напряжение ΔЕ а , меняющееся в фазе с усиленным входным сигналом. При этом на вход второй ступени усиления поступит сигнал U вх ·K 1 + ΔЕ а .

Это вызовет дальнейшее увеличение напряжения пульсации на зажимах источника анодного питания на величину ΔЕ’ а , что в конечном итоге приведет схему к самовозбуждению. Чтобы исключить возможность поступления на вход второй ступени усиления напряжения ΔЕ’ а , в анодную цепь первой лампы обязательно включают развязывающий фильтр.

Отрицательная обратная связь находит самое широкое распространение в усилителях низкой частоты. Напряжение отрицательной обратной связи, подаваемое с выхода на вход, может быть пропорционально либо выходному напряжению ( рис. 152, а ), либо току, протекающему по нагрузке ( рис. 152, б ), либо напряжению и току одновременно ( рис. 152, в ).

В первых двух схемах цепь обратной связи подключена ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала. Такую отрицательную обратную связь называют последовательной.

Третья блок-схема осуществляет смешанную последовательную отрицательную обратную связь. Буквой β обозначен коэффициент обратной связи. При обратной связи по напряжению он показывает, какая часть напряжения с выхода поступает на вход усилителя:

где U β — напряжение обратной связи.

Рис. 152. Блок-схемы отрицательной обратной связи. 1 — усилитель с коэффициентом усиления К; 2 — цепь обратной связи.

  • Усилитель мощности НЧ с отрицательной обратной связью

Влияние отрицательной обратной связи на качественные и эксплуатационные показатели усилителя

Наиболее распространенной является последовательная отрицательная обратная связь по напряжению ( см. рис. 152, а ). Из определения отрицательной связи следует, что U c = U вх — U β . Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью равен

где К = U вых /U с — коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

Введение отрицательной обратной связи в схему усилителя вызывает уменьшение усиления, но в то же время уменьшает искажения формы выходного сигнала, независимо от того, какие причины (внешние или внутренние) вызвали появление этих искажений.

Действительно, в этом случае на вход усилителя поступает напряжение отрицательной обратной связи, которое либо компенсирует напряжение помех, если оно имеется на входе, либо поступает на вход усилителя и уже в процессе усиления компенсирует возникающие искажения. Из очевидного равенства

U βп = U п -К β U βп

можно установить зависимость между напряжением помех U βп на выходе усилителя с отрицательной обратной связью и напряжением помех U п на выходе усилителя без обратной связи.

Решив это уравнение относительно U βп , получим

Как видно, отрицательная обратная связь уменьшает напряжение помех на выходе усилителя в 1 + βК раз. Так как эта формула справедлива для любой гармонической составляющей, то она справедлива и для оценки нелинейных искажений усилителя с отрицательной обратной связью:

Наибольшие нелинейные искажения создает выходной каскад усилителя, так как он работает при больших амплитудах входного сигнала. Поэтому отрицательную обратную связь обычно вводят в последних каскадах усилителя. Например, если известно, что для получения заданной выходной мощности на вход оконечного каскада необходимо подать напряжение U с = 10 в, причем поскольку коэффициент нелинейных искажений γ будет равен 7%, а заданное значение его, γ зад составляет 5%, то для уменьшения нелинейных искажений в каскад следует ввести отрицательную обратную связь. При этом напряжение отрицательной обратной связи должно быть

Следовательно, предыдущий каскад усиления должен обеспечить подачу иа вход оконечного каскада напряжения, равного 14 в.

Введение отрицательной обратной связи выравнивает также частотную характеристику усилителя, уменьшая частотные искажения. В этом нетрудно убедиться, если коэффициент частотных искажений каскада при наличии отрицательной обратной связи представить в виде отношения коэффициента усиления на средних частотах К ср. β при наличии отрицательной обратной связи к коэффициенту усиления на верхних частотах К в β , тоже при наличии обратной связи:

После подстановки значений К ср. β и К в β находим коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

Так как βК β ср то нетрудно прийти к выводу, что М в β в т.е.частотные искажения уменьшились.

Введение отрицательной обратной связи повышает также стабильность коэффициента усиления. Такие факторы, как непостоянство напряжения источника питания, изменение температуры и влажности окружающей среды, старение элементов схемы, могут привести к изменению коэффициента усиления каскада до 20%. Так, например, если из-за влияния перечисленных факторов коэффициент усиления каскада вместо К = 50 стал К’ = 40, то введение отрицательной обратной связи с β = 0,2 приведет к снижению коэффициента усиления каскада и вместе с тем обеспечит его постоянство:

Проанализируем влияние отрицательной обратной связи на входное сопротивление усилителя. Без учета обратной связи

тогда, подставив в выражение для R вх вместо U с его значение, получим

Воспользовавшись этой формулой, можно определить входное сопротивление усилителя с учетом обратной связи:

Как видно, входное сопротивление усилителя с последовательной обратной связью оказывается в (1 + βК) раз больше входного сопротивления усилителя без обратной связи.

Рассуждая аналогичным образом нетрудно показать, что-отрицательная обратная связь в (1 + βК) раз уменьшает и выходное сопротивление усилителя:

Входное сопротивление следующего каскада шунтирует сопротивление нагрузки предыдущего каскада и тем самым снижает его усиление. Однако шунтирующее действие проявляется тем меньше, чем выше R вх и ниже R вых .

Таким образом, введение в схему отрицательной обратной связи хотя и приводит к снижению усиления, но вместе с тем вызывает улучшение качественных и эксплуатационных показателей усилителя.

Источник

Положительная обратная связь

Как мы видели, отрицательная обратная связь является невероятно полезным инструментом применительно к операционным усилителям. Она позволяет нам создавать все эти практические схемы с возможностью точно устанавливать коэффициенты усиления, скорости и другие значимые параметры с помощью всего лишь нескольких изменений номиналов резисторов. Отрицательная обратная связь делает все эти схемы стабильными и самокорректирующимися.

Основной принцип отрицательной обратной связи состоит в том, что выходной сигнал имеет тенденцию двигаться в направлении, которое создает условие равновесия (баланса). В схеме на операционном усилителе без обратной связи отсутствует корректирующий механизм, и выходное напряжение будет насыщаться при минимальной величине дифференциального напряжения, приложенного между входами. Результатом является компаратор.

С отрицательной обратной связью (выходное напряжение каким-то образом подается обратно на инвертирующий вход) схема имеет тенденцию препятствовать тому, чтобы выходное напряжение доходило до полного насыщения. Скорее выходное напряжение доходит до такого высокого или низкого значения, чтобы уравновешивать напряжения двух входов:

Отрицательная обратная связь Отрицательная обратная связь

Независимо от того, будет ли выход соединен с инвертирующим (-) входом напрямую или через набор компонентов, эффект будет тем же: чрезвычайно высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя будет «приручен», и схема будет реагировать в соответствии с предписанием «петли» обратной связи, соединяющей выход с инвертирующим входом.

Другой тип обратной связи, а именно положительная обратная связь (ПОС), также находит применение в схемах на операционных усилителях. В отличие от отрицательной обратной связи, когда выходное напряжение подается обратно на инвертирующий (-) вход, при положительной обратной связи выходное напряжение каким-либо способом направляется обратно на неинвертирующий (+) вход. В простейшей форме мы могли бы подключить просто кусок провода от выхода до неинвертирующего входа и посмотреть, что произойдет:

Положительная обратная связь Положительная обратная связь

Инвертирующий вход остается неподключенным к петле обратной связи и может принимать внешнее напряжение. Посмотрим, что произойдет, если соединим инвертирующий вход с землей:

Положительная обратная связь, инвертирующий вход соединен с землей Положительная обратная связь, инвертирующий вход соединен с землей

Когда инвертирующий вход соединен с землей (удерживается на нуле вольт), выходное напряжение будет определяться величиной и полярностью напряжения на неинвертирующем входе. Если это напряжение будет положительным, операционный усилитель будет так же выдавать положительное напряжение, подавая это положительное напряжение обратно на неинвертирующий вход, что приведет к полному положительному насыщению на выходе. С другой стороны, если напряжение на неинвертирующем входе отрицательно, на выходе операционного усилителя будет так же отрицательное напряжение, которое будет подаваться обратно на неинвертирующий вход, и в результате получится полное отрицательное насыщение.

Здесь мы имеем схему, выход которой бистабилен: стабилен в одном из двух состояний (насыщенное положительное или насыщенное отрицательное). Как только он достигнет одного из этих насыщенных состояний, он будет оставаться в этом состоянии неизменным. То, что необходимо для его переключения, – это напряжение, приложенное к инвертирующему (-) входу с той же полярностью, но немного большему по величине. Например, если наша схема насыщена при выходном напряжении +12 вольт, то для изменения выходного напряжения необходимо напряжение не менее +12 вольт на инвертирующем входе. Когда состояние на выходе изменится, то это будет полностью насыщенное отрицательное состояние.

Таким образом, операционный усилитель с положительной обратной связью имеет тенденцию оставаться в любом состоянии выхода, в котором он уже находится. Он «защелкивается» в одном из двух состояний, насыщенном положительном или насыщенном отрицательном. Технически это явление известно как гистерезис.

Гистерезис может быть полезным свойством для схемы компаратора. Как мы видели ранее, компараторы могут быть использованы для создания прямоугольного сигнала из сигнала любого типа (синусоидального, треугольного, пилообразного и т.д.). Если входной сигнал переменного тока является бесшумным (то есть «чистым» сигналом), простой компаратор будет работать нормально.

«Чистый» входной сигнал переменного напряжения создает предсказуемые точки перехода в выходном напряжении прямоугольной формы «Чистый» входной сигнал переменного напряжения создает предсказуемые точки перехода в выходном напряжении прямоугольной формы

Однако если имеются какие-либо аномалии в форме сигнала, такие как гармоники или «выбросы», которые вызывают значительное повышение и падение напряжения в течение одного периода, выход компаратора может переключать состояния неожиданно:

Реагирование компаратора на «грязную» синусоиду Реагирование компаратора на «грязную» синусоиду

Каждый раз, когда происходит переход через опорный уровень напряжения, независимо от того, насколько крошечный этот переход может быть, выход компаратора будет переключать состояние, создавая прямоугольный сигнал с «глюками».

Если мы добавим в схему компаратора небольшую положительную обратную связь, мы введем гистерезис в выходной сигнал. Этот гистерезис заставит выход оставаться в своем текущем состоянии, если только входное переменное напряжение не претерпит существенного изменения величины.

Введение положительной обратной связи в схему компаратора Введение положительной обратной связи в схему компаратора

То, что создает резистор обратной связи, является двумя опорными уровнями в схеме компаратора. Напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход в качестве опорного уровня, который сравнивается с входным переменным напряжением, изменяется в зависимости от значения выходного напряжения операционного усилителя. Когда выход операционного усилителя насыщен положительно, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более положительным, чем ранее. С другой стороны, когда выход ОУ насыщен отрицательно, то опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более отрицательным, чем ранее. Результат легче понять на графике:

Реагирование компаратора с положительной обратной связью на «грязную» синусоиду Реагирование компаратора с положительной обратной связью на «грязную» синусоиду

Когда выход операционного усилителя насыщен положительно, действует верхнее опорное напряжение, и выходное напряжение не будет падать до отрицательного уровня насыщения, если входное напряжение не поднимется выше этого верхнего опорного уровня. С другой стороны, когда выход ОУ насыщен отрицательно, действует нижнее опорное напряжение, и выходное напряжение не поднимется до положительного уровня насыщения, если входное напряжение не упадет ниже этого нижнего опорного уровня. В результате получается чистый прямоугольный выходной сигнал, несмотря на значительное количество искажений входного сигнала переменного напряжения. Для того чтобы «выброс» вызвал переключение компаратора из одного состояния в другое, он должен быть, по крайней мере, столь же большим (высоким) как разность между верхним и нижним уровнями опорного напряжения и произойти в нужный момент времени, чтобы пересечь оба этих уровня.

Другим применением положительной обратной связи в схемах на операционных усилителях является построение схем генераторов. Генератор представляет собой устройство, которое создает переменное или, по меньшей мере, импульсное выходное напряжение. Технически он известен как нестабильное устройство: не имеет стабильного выходного состояния (нет какого-либо равновесия). Генераторы – это очень полезные устройства, и они легко реализуются с помощью простого операционного усилителя и нескольких внешних компонентов.

Схема генератора, использующая положительную обратную связь Схема генератора, использующая положительную обратную связь

Когда выход насыщен положительно, Vопор будет положительным, и конденсатор зарядится в положительном направлении. Когда Vнакл превышает Vопор на минимальную разницу, выход будет насыщен отрицательно, и конденсатор будет заряжаться в противоположном направлении (полярности). Колебание происходит, потому что положительная обратная связь мгновенна, а отрицательная обратная связь имеет задержку (с помощью постоянной времени RC цепи). Частоту этого генератора можно регулировать, изменяя размер любого компонента.

Источник



Обратная связь. Влияние отрицательной обратной связи (ООС) на основные качественные показатели усилительных устройств

Обратная связь предполагает передачу части энергии выходного сигнала на вход электронного устройства или усилителя. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью

В данной схеме коэффициент усиления усилителя без обратной связи . Коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи

Первоначально обратная связь использовалась для увеличения коэффициента усиления. В этом случае напряжение или ток с выхода усилителя подается на его вход синфазно с входным колебанием (сдвиг фаз в петле обратной связи должен быть равен 0° или 2π×n). Такая обратная связь получила название положительная обратная связь. Однако скоро выяснилось, что положительная обратная связь приводит к нестабильности работы усилителя и ее стали избегать.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя. В начале двадцатого века это было крупным недостатком, однако в настоящее время это легко компенсируется добавлением одного или нескольких каскадов усиления. В то же самое время отрицательная обратная связь в усилителях приводит к улучшению многих его параметров, поэтому она нашла широкое применение.

Влияние обратной связи на коэффициент усиления

Определим коэффициент усиления усилителя охваченного обратной связью. Для этого запишем напряжение на входе усилительного элемента:

Напряжение на выходе усилителя, не охваченного отрицательной обратной связью, можно определить следующим образом:

Из этих двух выражений можно выразить коэффициент усиления услителя охваченного отрицательной обратной связью.

С одной стороны уменьшение коэффициента усиления может привести к усложнению схемы. С другой стороны если коэффициент усиления будет меняться в зависимости от конкретного экземпляра транзистора или при изменении температуры, то при помощи выражения (3) при достаточно большом первоначальном коэффициенте усиления K можно можно обеспечить стабильность коэффициента усиления блока в целом. Его коэффициент усиления будет зависеть от коэффициента β или другими словами от соотношения номиналов резисторов в четырёхполюснике обратной связи.

Влияние обратной связи на нелинейные искажения усилителя

Одним из важнейших характеристик усилителя является его линейность. Именно отрицательная обратная связь позволяет добиться высокой линейности амплитудной характеристики. Принцип работы отрицательной обратной связи в этом случае не отличается от принципа стабилизации коэффициента усиления. В качестве примера можно привести влияние обратной связи на самый распространенный параметр, позволяющий оценить уровень нелинейных искажений — коэффициент гармоник:

Влияние обратной связи на выходное сопротивление усилителя

В зависимости от способа получения сигнала обратной связи на выходе усилителя она может быть по напряжению и по току. Структурная схема отрицательной обратной связи по напряжению приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по напряжению

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению можно определить по следующей формуле:

Напряжение обратной связи в схемах отрицательной обратной связи по току выделяется на сопротивлении обратной связи, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по току

Отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току можно определить по следующей формуле:

Влияние обратной связи на входное сопротивление усилителя

По входу отрицательная обратная связь может быть последовательной и параллельной. Структурная схема параллельной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 4. На этом рисунке не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Рисунок 4. Структурная схема усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью

Параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Следующий вид обратной связи, который мы рассмотрим, это последовательная отрицательная обратная связь. Структурная схема последовательной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 5. На этом рисунке, также как на предыдущем, не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Последовательная отрицательная обратная связь
Рисунок 5. Структурная схема усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью

Последовательная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Вместе со статьей «влияние отрицательной обратной связи (ООС) на основные качественные показатели усилительных устройств» читают:

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

Читайте также:  Тепловая мощность котлов дквр