М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 12

4.3 Усилитель с обратной связью Действие отрицательной обратной связи становится ясным в результате анализа основной схемы усилителя с обратной связью, сопровождаемого одним-двумя простыми расчетами. На рис. 4.2 приведена блок-схема петли обратной связи, включающей усилитель с коэффициентом усиления А, и аттенюатор, с помощью которого определенная (0-ая) часть выходного напряжения подается обратно на вход. В общем случае мы будем считать, что полярность сигнала не меняется при его прохождении через усилитель и по цели обратной связи, так что сигнал обратной связи складывается с входным сигналом Затем, выполняя выкладки, мы можем изменить знак коэффициента передачи цели обратной связи или усилителя, чтобы сделать обратную связь отрицательной. Имея в виду схему на рис. 4.2, мы можем определить результирующий коэффициент усиления напряжения А усилителя с обратной связью Он задается просто как отношение выходного напряжения к входному: Рассмотрим теперь сигнал е на входе основного усилителя с коэффициентом усиления А,: е = и,„з-,бгьж.

Но нам известно также, что и,ж = Аое. Поэтому и.„, = Ао(и,„ь,бгьы). Выполняя преобразование, получим и ж (( —,0Ао) = Аои,. * Усилитель с обратной связью 65 С паол оброоноа ооон Рис. 4.2. Усилитель, охваченный обратной связью. р ооо Ао 1-бАо Следовательно, коэффициент усиления напряжения равен А= 4о 1-5Ао (4.1) Равенство (4.1) является главным для усилителя с обратной связью. Коэффициент усиления А, самого усилителя часто называют коэффициентом усиления без обратной связи, а величину А — коэффициентом усиления с обратной связью. Когда справедливо соотношение (4.1), обратная связь положительна, и сразу можно видеть интересную особенность, заключающуюся в том, что А становится бесконечным при,б А, = 1. Бесконечное усиление подразумевает, что сигнал на выходе усилителя будет возникать в отсутствие сигнала на входе, и именно это и происходит.

На положительной обратной связи основано действие генераторов (сигнал-генераторов), более полно обсуждаемое в главе 12. Чтобы сделать обратную связь отрицательной, мы можем изменить знак у б, вычитая сигнал обратной связи из входного, а не складывая их. Тогда А= 1 +,8Ао (4. 2) Зак. 4729. бб Отрицательная обратная связь Если теперь, как это обычно бывает, рз4о ьь ) .4о ьь И то можно пренебречь единицей в знаменателе и А= —, ,4о 7)Ао а это значит, что для коэффициента усиления напряжения справедливо приближенное равенство А (4.3) Ф Это самое важное соотношение, так как впервые мы «спроектировалиь усилитель с точно заданным коэффициентом усиления напряжения.

Пока коэффициент усиления без обратной связи много больше коэффициента усиления с обратной связью (например, в сто раз больше), усиление с обратной связью не зависит от характеристик усилителя и определяется только величиной б . Этот коэффициент передачи цепи обратной связи )5 обычно зависит только от сопротивлений двух резисторов в делителе напряжения. Резисторы являются самыми стабильными компонентами в электронике; сопротивление резисторов можно задать с любой желаемой точностью, и его изменение со временем маловероятно. Отрицательная обратная связь распространяет эти качества — точность и стабильность — на коэффициент усиления всего усилителя.

4.4 Отринательная обратная связь и частотная характеристика Никакой усилитель не дает один и тот же коэффициент усиления на всех частотах. Далее, в главе 7, будет показано, что коэффициент усиления любого усилителя начинает падать на высоких частотах, главным образом изза его внутренней паразитной емкости. Когда коэффициент усиления слишком сильно меняется при изменении частоты сигнала„говорят, что усилитель имеет плохую частотную характеристику.

Этот недостаток иногда называют частотными искажениями, но их не следует путать с нелинейными искажениями, обсуждаемыми в разделе 4.5. Отрицательная обратная связь может скорректировать плохую частотную характеристику в пределах интервала частот, на котором коэффициент усиления без обратной связи остается много большим, чем усиление с обратной связью; в этих пределах применимо равенство (4.3) и усиление не зависит от частоты. На рис.

4.3 приведены частотные характеристики усилителя на основе ИС типа 741. Верхняя кривая относится к разомкнутой петле обратной связи; на самом деле быстрое уменьшение усиления на высоких частотах введено сознательно с по- Нелинейные искажения 67 мощью внутреннего конденсатора из соображений устойчивости. Кривые, расположенные ниже, показывают, как отрицательная обратная связь выравнивает частотную характеристику за счет усиления: приведены характеристики лля значений коэффициента усиления с обратной связью 1000, 100 и 1О, и оии настолько ровные, что их можно чертить по линейке вплоть до области частот, где коэффициент усиления с обратной связью достигает кривой, относяшейся к случаю разомкнутой петли обратной связи.

ю' ю аю ~х юх юах ~м частете (ГЫ Рис. 4ев Частотные характеристики усилителей на основе ИС типа 741 при различных значениях козффиииента обратной связи. Хотя общие потери в усилении при введении отрицательной обратной связи могут оказаться значительными, легко, в действительности, соединить два усилителя с отрицательной обратной связью каскадно (то есть один за другим) и, таким образом, восстановить значение коэффициента усиления до величины порялка той, какая имеет место без обратной связи, ио со значительно лучшей частотной характеристикой. 4.5 Нелинейные искажения 4.5.1 Введение С нелинейными искажениями сталкивался всякий, кому доводилось слушать портативный радиоприемник иа батареях, нуждающихся в замене.

Искажения возникают в тех случаях, когда усилитель ие дает иа выходе увели- 68 Отрицательная обратная связь ченную точную копию входного сигнала, а так или иначе изменяет его форму из-за нелинейной проходной характеристики. На рис.

4.4 приведены строго синусоидальное колебание и два таких же колебания, после того как они были подвергнуты нелинейным искажениям различного характера. Искажения такого рода возникают в усилителе из-за того, что его коэффициент усиления так или иначе зависит от мгновенной величины сигнала. Искажения, показанные на рис 4.4(Ь), возникают в том случае, когда коэффициент усиления падает при больших положительных или отрицательных отклонениях сигнала (искажения вследствие ограничения), тогда как на рис.

4.4(с) показаны искажения, происходящие в результате уменьшения коэффициента усиления, когда сигнал становится очень малым по величине вблизи пересечений н)огя. Такие изъяны усилителя объединяют под общим названием «нелинейные искажения«, или 'амплитудные искажения», и их можно рассматривать как внесение усилителем погрешности в выходной сигнал.

По очевидным причинам искажения, показанные на рис. 4.4(с), называют искажениями типа «ступеньки»; они часто имеют место в усилителях мощности как результат плохого расчета или плохой настройки. Рис. 44. (а) Строго синусоиаальное колебание. (Ь) Искажения вследствие ограничения. (с) Искажения типа «ступеньки». Нелинейные искажения 69 Поскольку отрицательная обратная связь делает коэффициент усиления ие зависящим от таких величин, как параметры транзистора и частота сигнала, ясно, что она должна исправлять нелинейные искажения, делая коэффициеит усиления независимым от величины сигнала.

Это и в самом деле происходит, пока усиление без обратной связи остается много больше, чем с обратной связью. Уместно разобрать этот важный вопрос более внимательно. 4.52 Измерение искажений гармонического сигнала Мы выбрали синусоидальиое колебание для иллюстрации искажений иа рис. 4.4 совсем ие случайно. Гармонический анализ показывает, что периодическое колебание произвольной формы можно составить из сииусоидальиых колебаний с частотами, кратными частоте исходного колебания. Другими словами, можно сказать, что сииусоидальиое колебание является сигналом особого рода, так как ои содержит только одиу частоту. Колебание любой другой формы содержит ряд частот, называемых гармониками. Первую гармонику называют основным колебанием, и оиа определяет частоту повтореиия в исходном сигнале.

Колебания с частотами вдвое, втрое и т.д. большими, чем частота основного колебания, называются просто «гармоиикамич; их амплитуды и фазы определяют вид колебания сложной формы. Когда сииусоидальиое колебание претерпевает нелинейные искажения в усилителе, усилитель, в действительности, добавляет гармоники к исходному сииусоидальиому сигналу. Поэтому измерять искажения удобно, подавая иа вход усилителя чисто сииусоидальиое колебание и определяя, в какой пропорции по отношению ко всему выходному сигналу в ием присутствуют гармоники. Такой метод оценки нелинейных искажений называют измерением искажений гармонического сигнала.

Чтобы измерить вклад гармоник, к выходу усилителя подключают режекториый (заграждающий) фильтр и настраивают его иа подавление осиовиого колебания. Остаются только гармоники, и полный коэффициент нелинейных искажений (ПКНИ), обычно выражаемый в процентах, находят по правилу: эфф. зиач, напряжения гармоник ПКНИ— х!00«г«. полное эфф. знач. выходного сигнала 4.5.3 Измерение искажений вследствие взаимной модуляции Когда усилителем одновременно усиливаются два сигнала, иаблюдается другое следствие нелинейности: кроме исходиых сигналов выходное колебаиие содержит также сигнал с частотой, равной сумме частот усиливаемых сигналов, а также сигнал разиостиой частоты. Другими словами, в случае, когда иа вход усилителя поданы сигналы с частотами 800 Гц и 900 Гц, 70 Отрицательная обратная связь выходное колебание, помимо усиленных сигналов с частотами 800 Гц и 900 Гц и их гармоник, содержит новые сигналы с частотами 100 Гц и 1700 Гц.

Эти новые сигналы на суммарной и разностной частотах называют продуктами взаимной модуляции, и они особенно нежелательны при воспроизведении звука, так как, в отличие от низших гармоник, они не родственны в музыкальном плане исходным частотам. Взаимная модуляция может служить мерой нелинейности усилителя; будучи выражен в процентах, коэффициент искажений вследствие взаимной модуляции (КИВМ) равен: эфф. знач. продукгов взаимной модуляции КИВМ х 100% полное эфф. знач.