Что такое обратная связь в электронике и автоматике

На функционирующую систему, кроме выходной величины, могут действовать также внешние воздействия (х на рис. 1). Цепь AB, по которой передается обратная связь, называется цепью, линией или каналом обратной связи.

Канал может сам содержать какую-либо систему (Д, рис. 2), преобразующую выходную величину в процессе ее передачи. В этом случае говорят, что обратная связь с выхода системы на ее вход осуществляется с помощью или через посредство системы Д.

Обратная связь является одним из важнейших понятий электроники и теории автоматического управления. Конкретные примеры реализации систем, содержащих обратные связи, можно обнаружить при изучении самых разнообразных процессов в автоматических системах, живых организмах, экономических структурах и т. п.

В силу универсальности понятия применимого в различных областях науки и техники, терминология в этой области не установилась, и в каждой частной области знаний, как правило, используется своя терминология.

Так, например, в системах автоматического регулирования широко применяются понятия отрицательной и положительной обратной связи, которыми определяется связь выхода системы с ее входом через усилительное звено с соответственно отрицательным или положительным коэффициентом усиления.

В теории электронных усилителей смысл этих терминов иной: отрицательной называется обратная связь, уменьшающая абсолютную величину общего коэффициента усиления, а положительной — увеличивающая ее.

В зависимости от способов реализации в теории электронных усилителей выделяют обратные связи по току, по напряжению и комбинированную.

В системы автоматического регулирования часто вводят дополнительные обратные связи, используемые для стабилизации систем или улучшения переходных процессов в них. Они иногда называются корректирующими и среди них выделяют жесткую (осуществляемую с помощью усилительного звена), гибкую (реализуемую дифференцирующим звеном), изодромную и т. п.

В различных системах можно всегда обнаружить замкнутую цепь воздействий. Например, на рис. 2 часть С системы действует на часть Д, а последняя снова на С. Поэтому такие системы называют также системами с замкнутой цепью воздействий, системами с замкнутым циклом или замкнутым контуром.

В сложных системах может существовать множество различных цепей обратных связей. В многоэлементной системе выход каждого элемента может, вообще говоря, воздействовать на входы всех остальных элементов, включая свой собственный вход.

Любое воздействие можно рассматривать с трех основных сторон: метаболической, энергетической и информационной. Первая связана с изменениями расположения, формы и состава вещества, вторая — с передачей и преобразованием энергии, а третья — с передачей и преобразованием информации.

В теории управления рассматривается исключительно информационная сторона воздействий. Таким образом, обратная связь может быть определена как передача информации о выходной величине системы на ее вход либо как поступление информации, преобразованной звеном обратной связи, с выхода на вход системы.

На применении обратной связи основан принцип устройства систем автоматического регулирования (САР). В них наличие обратной связи обеспечивает повышение помехоустойчивости из-за уменьшения влияния помехи (z на рис. 3), действующей в прямом тракте системы.

Если в линейной системе со звеньями, обладающими передаточными фциями Кх(р) и К2(р), снять цепь обратной связи, то изображение х выходной величины х определится следующим соотношением:

Если при этом требуется, чтобы выходная величина х в точности равнялась задающему воздействию х*, то общий коэффициент усиления системы К(р)= К1(р)К2(р) должен равняться единице, а помеха z должна отсутствовать. Наличие z и отклонение К(р) от единицы обусловливают возникновение погрешности е, т. е. разности

Если теперь замкнуть систему с помощью обратной связи, как показано на рис. 3, изображение выходной величины х будет определяться следующим соотношением:

Из соотношения следует, что при достаточно большом по модулю коэффициент усиления Кх(р) второе слагаемое пренебрежимо мало и, следовательно, влияние помехи z ничтожно. В то же время значение выходной величины х будет очень мало отличаться от значения задающего воздействия.

В замкнутой системе с обратной связью удается значительно уменьшить влияние помех по сравнению с разомкнутой системой, т. к. последняя не реагирует на действительное состояние управляемого объекта, «слепа» и «глуха» к изменению этого состояния.

Рассмотрим в качестве примера полет самолета. Если заранее с высокой точностью установить рули самолета так, чтобы он летел в заданном направлении, и жестко закрепить их, то порывы ветра и др. случайные и заранее непредвиденные факторы собьют самолет с нужного курса.

Исправить положение в состоянии только система с обратной связью (автопилот), способная сравнивать заданный курс х* с фактическим х и в зависимости от образовавшегося рассогласования изменять положение рулей.

О системах с обратной связью часто говорят, что они управляются ошибкой е (рассогласованием). Если звено Кх(р) представляет собой усилитель с достаточно большим коэффициентом усиления, то при определенных условиях, наложенных на передаточную функцию К2(р) остальной части тракта, замкнутая система остается устойчивой.

Обратная связь в смешанных системах имеет место также и при функционировании сложных систем, состоящих из объектов различной природы, но действующих целенаправленно. Такими являются системы: оператор (человек) и машина, учитель и ученик, лектор и аудитория, человек и обучаемое устройство.

Во всех этих примерах мы имеем дело с замкнутой цепью воздействий. По каналам обратной связи оператор получает информацию о характере функционирования управляемой машины, обучающий — информацию о поведении ученика и о результатах обучения и т. п. Во всех этих случаях в процессе функционирования существенно изменяются как содержание информации, передаваемое по каналам, так и сами каналы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Обратная связь. Часть 1. Виды обратной связи

Как я уже говорил в одном из предыдущих постов я начал публиковать цикл статей об операционных усилителях. В прошлой статье я рассмотрел две основные схемы включения (инвертирующую и неинвертирующую) и некоторые схемы с применением операционных усилителей. В данной статье я буду рассматривать такую тему как обратная связь.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Зачем нужна обратная связь

В отличие от идеальных операционных усилителей (ОУ), имеющих равномерную АЧХ, то есть их коэффициент усиления не изменяется в зависимости от частоты входного сигнала, реальные ОУ имеют коэффициент усиления, который с ростом частоты усиливаемого сигнала уменьшается. Кроме того в ОУ с увеличением частоты сигнала происходит фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, вследствие этого на некоторых частотах усиливаемого сигнала происходит самовозбуждение схемы, то есть усилитель превращается в генератор. Это всё приводит к уменьшению качественных показателей электронных схем.

Одним из наиболее распространённых и эффективных способов влияния на качественные параметры электронных схем с ОУ является применение обратной связи (ОС). Стоит отметить, что ОС широко применяется не только с ОУ, но и со многими другими электронными схемами, поэтому всё, что будет сказано про использование ОС с ОУ, относится и ко всем другим схемам с ОС.

Обратная связь определяется, как связь выходной цепи усилителя с его входной цепью, то есть когда усиленный сигнал с выхода усилителя передается на его вход через цепи, которые специально вводятся для этой цели (внешняя ОС) или через цепи, которые имеются в усилителе для выполнения других функций (внутренняя ОС). На рисунке ниже показана структурная схема усилителя с обратной связью

Структурная схема усилителя с обратной связью.

На рисунке выше показана структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, который охвачен внешней цепью ОС с коэффициентом передачи β. Стрелки на схеме показывают направление прохождения сигнала. Таким образом, часть усиленного сигнала с выхода усилителя поступает через цепь ОС на вход усилителя, где складывается с внешним сигналом. В результате на входе усилителя возникает суммарный входной сигнал, который может быть больше или меньше внешнего сигнала.

Виды обратной связи

Если сумма амплитуд внешнего сигнала и сигнала цепи обратной связи оказывается больше амплитуды внешнего сигнала, то данная цепь ОС называется положительной обратной связью (ПОС), а в случае если сумма амплитуд внешнего сигнала и сигнала цепи обратной связи оказывается меньше амплитуды внешнего сигнала, то такая ОС называется отрицательной обратной связью (ООС).

Путём введения ОС удаётся достаточно сильно изменить процесс работы и свойства усилителя, которые определяются как свойством усилителя, так и свойством цепи ОС. На свойства цепи ОС существенное влияние оказывает её вид, то есть принцип её действия, зависящий в общем случае от полярности и фазы напряжения ОС, а также способа её соединения с входными и выходными цепями усилителя.

Различают четыре вида обратных связей:

Кроме того существует также смешанная обратная связь, но из-за сложности в изготовлении и настройке данный вид обратной связи большого распространения не получил.

Рассмотрим, как образуется каждый вид обратной связи.

Параллельная обратная связь по напряжению

Параллельная обратная связь по напряжению образуется подключением входа цепи ОС параллельно сопротивлению нагрузки R_H, а выход цепи ОС – параллельно входу усилителя.

Структурная схема параллельной обратной связи по напряжению.

Таким образом, входное напряжение цепи ОС U_СВ равно выходному напряжению на нагрузке U_Н, а выходное напряжение цепи ОС U_ОС пропорционально сумме токов входного сигнала I_СИГ и цепи ОС I_OC на общем входном сопротивлении усилительной схемы.

То есть данная ОС образуется при параллельном соединении входа и выхода усилителя через цепь ОС. Данный вид ОС характеризуется тем, что действие ОС уменьшается при уменьшении сопротивления нагрузки и источника сигнала, а при коротком замыкании входа или выхода действие данного вида ОС прекращается.

Параллельная обратная связь по току

Параллельная обратная связь по току образуется подключением входа цепи ОС параллельно резистору R_T, а выход цепи ОС подключён параллельно входу усилителя.

Структурная схема параллельной обратной связи по току.

Данный вид ОС характеризуется следующими параметрами: входное напряжение ОС U_OC пропорционально выходному току усилителя протекающего через резисторы R_T и R_H, а выходное напряжение цепи ОС U_ОС пропорционально сумме токов входного сигнала I_СИГ и цепи ОС I_OC на общем входном сопротивлении усилительной схемы.

Действие данного вида ОС уменьшается при уменьшении сопротивления источника сигнала, входного сопротивления усилителя, а также при уменьшении сопротивления резистора R_T или увеличении сопротивления нагрузки. То есть при коротком замыкании на входе схемы и отсутствии нагрузки данная ОС не действует.

Последовательная обратная связь по напряжению

Последовательная обратная связь по напряжению образуется подключением входа цепи ОС параллельно сопротивлению нагрузки R_H, а выхода цепи ОС – последовательно с входом усилителя.

Структурная схема усилителя с последовательной цепью ОС по напряжению.

В последовательной обратной связи по напряжению входное напряжение U_СВ равно выходному напряжению на нагрузке U_Н. В тоже время сумма выходного напряжения цепи ОС U_ОС и напряжения источника сигнала U_СИГ равна входному напряжению усилителя U_ВХ.

Таким образом, последовательная ОС по напряжению уменьшает своё действие при увеличении сопротивлению источника сигнала и уменьшении сопротивления нагрузки и выходного сопротивления усилителя. В случае, когда на выходе короткое замыкание, а также в режиме холостого хода на входе данный вид ОС перестаёт действовать.

Последовательная обратная связь по току

Последовательная обратная связь по току образуется путём подключения входа цепи ОС параллельно резистору R_T, а выход цепи ОС подключен последовательно с источником сигнала и входом усилителя.

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току.

Последовательная обратная связь по току имеет следующие характеристики. Входное напряжение цепи ОС U_CB пропорционально выходному току усилителя I_CB, который протекает через резисторы R_H, R_T и R_ВЫХ, а выходное напряжение цепи ОС U_ОС совместно с напряжением источника сигнала U_СИГ составляет входное напряжение усилителя U_ВХ.

Из вышеизложенного следует, что при уменьшении сопротивлений R_H, R_T и R_ВЫХ, а также при увеличении входного сопротивления усилителя и источника сигнала действие последовательной ОС по току уменьшается. А при отсутствии нагрузки и холостом ходу на входе схемы данный вид ОС сводится к нулю.

Данная статья не может вместить все сведении об обратной связи, поэтому в ней рассмотрены только схемы различных видов обратных связей. О влиянии ОС на параметры усилительных устройств будет рассказано в следующей статье.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Что такое обратная связь в электронике и автоматике

На функционирующую систему, кроме выходной величины, могут действовать также внешние воздействия (х на рис. 1). Цепь AB, по которой передается обратная связь, называется цепью, линией или каналом обратной связи.

Канал может сам содержать какую-либо систему (Д, рис. 2), преобразующую выходную величину в процессе ее передачи. В этом случае говорят, что обратная связь с выхода системы на ее вход осуществляется с помощью или через посредство системы Д.

Обратная связь является одним из важнейших понятий электроники и теории автоматического управления. Конкретные примеры реализации систем, содержащих обратные связи, можно обнаружить при изучении самых разнообразных процессов в автоматических системах, живых организмах, экономических структурах и т. п.

В силу универсальности понятия применимого в различных областях науки и техники, терминология в этой области не установилась, и в каждой частной области знаний, как правило, используется своя терминология.

Так, например, в системах автоматического регулирования широко применяются понятия отрицательной и положительной обратной связи, которыми определяется связь выхода системы с ее входом через усилительное звено с соответственно отрицательным или положительным коэффициентом усиления.

В теории электронных усилителей смысл этих терминов иной: отрицательной называется обратная связь, уменьшающая абсолютную величину общего коэффициента усиления, а положительной — увеличивающая ее.

В зависимости от способов реализации в теории электронных усилителей выделяют обратные связи по току, по напряжению и комбинированную.

В системы автоматического регулирования часто вводятдополнительные обратные связи, используемые для стабилизации систем или улучшения переходных процессов в них. Они иногда называются корректирующими и среди них выделяют жесткую(осуществляемую с помощью усилительного звена), гибкую(реализуемую дифференцирующим звеном), изодромную и т. п.

В различных системах можно всегда обнаружить замкнутую цепь воздействий. Например, на рис. 2 часть С системы действует на часть Д, а последняя снова на С. Поэтому такие системы называют такжесистемами с замкнутой цепью воздействий, системами с замкнутым циклом или замкнутым контуром.

В сложных системах может существовать множество различных цепей обратных связей. В многоэлементной системе выход каждого элемента может, вообще говоря, воздействовать на входы всех остальных элементов, включая свой собственный вход.

Любое воздействие можно рассматривать с трех основных сторон: метаболической, энергетической и информационной. Первая связана с изменениями расположения, формы и состава вещества, вторая — с передачей и преобразованием энергии, а третья — с передачей и преобразованием информации.

В теории управления рассматривается исключительно информационная сторона воздействий. Таким образом, обратная связь может быть определена как передача информации о выходной величине системы на ее вход либо как поступление информации, преобразованной звеном обратной связи, с выхода на вход системы.

На применении обратной связи основан принцип устройства систем автоматического регулирования (САР). В них наличие обратной связи обеспечивает повышение помехоустойчивости из-за уменьшения влияния помехи (z на рис. 3), действующей в прямом тракте системы.

Если в линейной системе со звеньями, обладающими передаточными фциями Кх(р) и К2(р), снять цепь обратной связи, то изображение х выходной величины х определится следующим соотношением:

Если при этом требуется, чтобы выходная величина х в точности равнялась задающему воздействию х*, то общий коэффициент усиления системы К(р)= К1(р)К2(р) должен равняться единице, а помеха z должна отсутствовать. Наличие z и отклонение К(р) от единицы обусловливают возникновение погрешности е, т. е. разности

Если теперь замкнуть систему с помощью обратной связи, как показано на рис. 3, изображение выходной величины х будет определяться следующим соотношением:

Из соотношения следует, что при достаточно большом по модулю коэффициент усиления Кх(р) второе слагаемое пренебрежимо мало и, следовательно, влияние помехи z ничтожно. В то же время значение выходной величины х будет очень мало отличаться от значения задающего воздействия.

В замкнутой системе с обратной связью удается значительно уменьшить влияние помех по сравнению с разомкнутой системой, т. к. последняя не реагирует на действительное состояние управляемого объекта, «слепа» и «глуха» к изменению этого состояния.

Рассмотрим в качестве примера полет самолета. Если заранее с высокой точностью установить рули самолета так, чтобы он летел в заданном направлении, и жестко закрепить их, то порывы ветра и др. случайные и заранее непредвиденные факторы собьют самолет с нужного курса.

Исправить положение в состоянии только система с обратной связью (автопилот), способная сравнивать заданный курс х* с фактическим х и в зависимости от образовавшегося рассогласования изменять положение рулей.

О системах с обратной связью часто говорят, что они управляются ошибкой е (рассогласованием). Если звено Кх(р) представляет собой усилитель с достаточно большим коэффициентом усиления, то при определенных условиях, наложенных на передаточную функцию К2(р) остальной части тракта, замкнутая система остается устойчивой.В этом случае погрешность е в установившемся режиме может быть сделана сколь угодно малой. Достаточно ей появиться на входе усилителя Кх(р), чтобы на его выходе образовалось достаточно большое напряжение и, которое автоматически компенсирует помеху и обеспечивает такое значение х, при котором разность e=х*—х была бы достаточно мала. Малейшее нарастание е вызывает несоизмеримо большее нарастание u. Поэтому любая (в практических пределах) помеха z может быть скомпенсирована и притом при сколь угодно малой величине погрешности е, шунтирующую тракт с большим коэффициентом усиления, часто называют глубокой.Обратная связь в смешанных системах имеет место также и при функционировании сложных систем, состоящих из объектов различной природы, но действующих целенаправленно. Такими являются системы: оператор (человек) и машина, учитель и ученик, лектор и аудитория, человек и обучаемое устройство.Во всех этих примерах мы имеем дело с замкнутой цепью воздействий. По каналам обратной связи оператор получает информацию о характере функционирования управляемой машины, обучающий — информацию о поведении ученика и о результатах обучения и т. п. Во всех этих случаях в процессе функционирования существенно изменяются как содержание информации, передаваемое по каналам, так и сами каналы.

Источник

Обратная связь (биполярные транзисторы)

Если на вход усилителя подается некоторая часть его выходного сигнала, так что усилитель усиливает часть собственного выходного сигнала, то мы имеем так называемую обратную связь. Обратная связь бывает двух типов: положительная (так называемая регенеративная) и отрицательная (так называемая дегенеративная). Положительная обратная связь усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, а отрицательная – наоборот.

Известным примером обратной связи являются акустические системы, где кто-то держит микрофон слишком близко к громкоговорителю: возникают сильные «гудение» и «свист», поскольку усилительная аудиосистема обнаруживает и усиливает свой собственный шум. Это частный случай положительной или регенеративной обратной связи, так как любой звук, обнаруженный микрофоном, усиливается и превращается в громкий звук от динамика, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее. Результатом является шум неуклонно увеличивающейся громкости, пока система не будет «насыщена» и не сможет больше увеличивать громкость.

Можно задаться вопросом, какая выгода возможна от обратной связи в схеме усилителя, учитывая такой раздражающий пример, как «гудение» электроакустической системы. Если мы вводим положительную (или регенеративную) обратную связь в схему усилителя, то у него появляется склонность к созданию и поддержанию колебаний, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи с выхода на вход. Это один из способов создания схемы генератора для вырабатывания переменного напряжения от источника питания постоянного напряжения. Генераторы – это очень полезные схемы, и поэтому обратная связь имеет для нас определенное практическое применение. Смотрите «Фазосдвигающий генератор» в главе 9 в качестве практического применения положительной обратной связи.

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает на усилитель эффект «затухания»: если выходной сигнал увеличивает амплитуду, сигнал обратной связи оказывает на вход усилителя понижающее влияние, что противодействует изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная связь ведет схему усилителя к точке неустойчивости (к колебаниям), отрицательная обратная связь ведет ее в противоположном направлении: к точке устойчивости.

Схема усилителя, снабженная отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает входной сигнал и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Плата за эти преимущества (ведь должен же быть у отрицательной обратной связи недостаток?) – это уменьшение коэффициента усиления. Если часть выходного сигнала «подается обратно» обратно на вход, чтобы противодействовать любым изменениям выходного сигнала, то для получения такой же амплитуды выходного сигнала, что была раньше (без обратной связи), потребуется больший входной сигнал. Это уменьшает коэффициент усиления. Однако преимущества стабильности, меньших искажений и большей ширины полосы частот для многих приложений стоят того, чтобы заплатить путем уменьшения коэффициента усиления.

Давайте рассмотрим простую схему усилителя и посмотрим, как мы можем ввести в нее отрицательную обратную связь. Начнем с рисунка ниже.

Усилитель с общим эмиттером без обратной связи

Схема усилителя, показанная здесь, представляет собой схему с общим эмиттером, со схемой смещения на делителе напряжения из резисторов R₁ и R₂. Конденсатор связывает источник V_вх с усилителем, чтобы на источник сигнала не поступало постоянное напряжение с делителя R₁/R₂. Резистор R₃ служит для управления коэффициентом усиления по напряжению. Мы могли бы убрать его для получения максимального усиления по напряжению, но поскольку подобные ему резисторы базы в схемах усилителей с общим эмиттером распространены, мы оставим его.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот усилитель при усилении инвертирует входной сигнал. Другими словами, увеличивающееся входное напряжение приводит к уменьшению выходного напряжения, а уменьшающееся – наоборот. Осциллограммы сигналов показаны на рисунке ниже.

Усилитель с общим эмиттером, без обратной связи, с предоставлением осциллограмм для сравнения

Поскольку выходной сигнал представляет собой инвертированное (или зеркально отраженное) воспроизведение входного сигнала, любое соединение между выходным выводом (коллектором) и входным выводом (базой) транзистора (как на рисунке ниже) создаст в результате отрицательную обратную связь.

Отрицательная обратная связь, коллекторная обратная связь, ослабляет выходной сигнал

Сопротивления R₁, R₂, R₃ и R_{обр.связи} действуют вместе как схема смешения сигналов, поэтому напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно земли), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате чего на транзистор поступает сигнал уменьшенной амплитуды. Таким образом, схем усилителя на рисунке выше будет иметь пониженный коэффициент усиления по напряжению, но и улучшенную линейность (пониженные искажения) и увеличенную полосу частот.

Резистор, связывающий коллектор с базой, не является единственным способом введения в схему этого усилителя отрицательной обратной связи. Другой способ, с трудом понимаемый вначале, заключается в добавлении резистора между выводом эмиттера транзистора и землей на схеме, как показано на рисунке ниже.

Эмиттерная обратная связь: еще один способ введения в схему отрицательной обратной связи

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение, пропорциональное току эмиттера через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход эмиттер-база транзистора. Давайте более подробно рассмотрим переход эмиттер-база и посмотрим, какие изменения вносит этот новый резистор, на рисунке ниже.

Без резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей, на рисунке ниже (a) независимо от уровня входного сигнала (V_вх), проходящего через конденсатор связи и резисторную цепь R₁/R₂/R₃ будет подаваться непосредственно на переход база-эмиттер как входное напряжение транзистора (V_Б-Э). Другими словами, без резистора обратной связи V_Б-Э будет равно V_вх. Поэтому, если V_вх увеличивается на 100 мВ, то V_Б-Э увеличится на 100 мВ: изменение одного из них совпадает с изменением другого, поскольку оба напряжения равны друг другу.

Теперь рассмотрим эффект вставки резистора (R_{обр.связи}) между выводом эмиттера транзистора и землей, как показано на рисунке ниже (b)

Обратите внимание, что сумма напряжения, падающего на R_{обр.связи}, и V_Б-Э равна V_вх. С резистором Rобр.связи в контуре V_вх–V_Б-Э напряжение V_Б-Э больше не будет равно напряжению V_вх. Мы знаем, что R_{обр.связи} снизит напряжение пропорционально току эмиттера, который, в свою очередь, управляется током базы, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база-эмиттера транзистора (V_Б-Э). Таким образом, если V_вх будет увеличиваться в положительном направлении, это увеличит V_Б-Э, вызывая больший ток коллектора (нагрузки), вызывающий больший ток эмиттера, и вызывающий большее напряжение обратной связи, падающее на R_{обр.связи}. Однако, это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи вычитается из V_вх, уменьшая V_Б-Э, поэтому фактическое увеличение V_Б-Э будет меньше, чем увеличение напряжения V_вх. Теперь увеличение V_вх на 100 мВ больше не приведет к увеличению V_Б-Э на эти же 100 мВ, поскольку эти два напряжения не равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение обладает меньшим влиянием на транзистор, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению у усилителя уменьшается: это именно то, чего мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь – это не просто излишество; она необходима для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы собрать и использовать усилитель на транзисторе с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и подавать полную амплитуду V_вх на переход база-эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой коэффициент усиления по напряжению. Однако, к сожалению, связь между напряжением база-эмиттер и током база-эмиттер изменяется с температурой, что можно предугадать, исходя из «диодного уравнения». По мере того, как транзистор нагревается, прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер будет уменьшаться для любого заданного тока. Это создает для нас проблему, поскольку делитель напряжения R₁/R₂ рассчитан для обеспечения соответствующего неизменного тока через базу транзистора, чтобы тот работал в необходимом нам классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса A). Если у транзистора связь напряжение/ток изменяется с температурой, величина постоянного напряжения смещения, необходимого для требуемого класса работы, также изменится. Горячий транзистор будет потреблять больше тока смещения при том же напряжении смещения, что заставляет его нагреваться еще больше, потребляя еще больший ток смещения. В результате, если нет защиты, – тепловой разгон.

Усилители с общим коллектором (рисунок ниже) не страдают от теплового разгона. Почему? Ответ связан с отрицательной обратной связью.

Усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Обратите внимание, что усилитель с общим коллектором (рисунок выше) имеет резистор нагрузки, расположенный точно в том же месте, что и резистор R_{обр.связи} в последней схеме (рисунок выше (b)): между эмиттером и корпусом. Это означает, что напряжение, прикладываемое к переходу база-эмиттер транзистора, равно только разнице между V_вх и V_вых, что приводит к очень низкому усилению по напряжению (обычно около 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя тепловой разгон невозможен: если ток базы увеличивается из-за нагревания транзистора, ток эмиттера также будет увеличиваться, уменьшая напряжение на нагрузке, которое, в свою очередь, вычитается из V_вх, что уменьшает напряжение, падающее на переходе база-эмиттер. Другими словами, отрицательная обратная связь, создаваемая установкой резистора нагрузки, автоматически решает проблему теплового разгона. В обмен на значительное снижение усиления по напряжению мы получаем превосходную стабильность и защиту от теплового разгона.

Добавляя резистор обратной связи между эмиттером и землей в схему усилителя с общим эмиттером, мы создаем усилитель, который чуть меньше похож на «идеальный» усилитель с общим эмиттером и чуть больше похож на усилитель с общим коллектором. Значение резистора обратной связи обычно выбирается немного меньше сопротивления нагрузки, минимизируя величину обратной связи и сохраняя достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Другим преимуществом отрицательной обратной связи, явно видимым в схеме с общим коллектором, является то, что она стремится сделать усиление по напряжению усилителя менее зависимым от характеристик транзистора. Обратите внимание, что в усилителе с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению почти равен единице (1), независимо от β транзистора. Это означает, среди прочего, что мы могли бы заменить транзистор в усилителе с общим коллектором на другой, который обладает другим коэффициентом β, и не заметить каких-либо значительных изменений в усилении по напряжению. В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от коэффициента β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой, с другим коэффициентом β, коэффициент усиления по напряжению усилителя изменился бы значительно. В усилителе с общим эмиттером, снабженном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему в некоторой степени зависит от β транзистора, но не так сильно, как прежде, делая схему более предсказуемой, несмотря на изменение коэффициента β транзистора.

Тот факт, что мы должны вводить отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является не самым хорошим решением. Возможно ли избежать теплового разгона без необходимости подавлять изначально высокий коэффициент усиления по напряжению усилителя? Лучшее решение этой проблемы станет очевидным, если мы рассмотрим ее более внимательно: усиление по напряжению, которые мы должны уменьшить, чтобы избежать теплового разгона, – это усиление постоянного напряжения, а не переменного. В конце концов, к тепловому разгону транзистор подгоняется не входным сигналом переменного напряжения: транзистору для определенного класса работы требуется постоянное напряжение смещения: этот сигнал постоянного напряжения мы используем, чтобы «заставить» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) усиливать сигнал переменного напряжения. Мы можем подавить усиление по постоянному напряжению без подавления усиления по переменному напряжению, если узнаем способ создания отрицательной обратной связи только по постоянному напряжению. То есть, если мы подадим с выхода на вход только инвертированный сигнал постоянного напряжения без инвертированного сигнала переменного напряжения.

Резистор эмиттера R_{обр.связи} обеспечивает отрицательную обратную связь, создавая падение напряжения, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается путем вставки импеданса в путь протекания тока эмиттера. Если мы хотим подавать обратно постоянное напряжение, а не переменное, нам нужен импеданс, который является высоким для постоянного тока и низким для переменного тока. Какая схема представляет высокий импеданс для постоянного тока и низкий импеданс для переменного тока? Конечно фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи (рисунок ниже), мы сделаем как раз то, что необходимо: путь от эмиттера к земле, который для переменного тока проще, чем для постоянного.

Высокое усиление по переменному напряжению восстановлено с помощью добавления C_обхода параллельно R_{обр.связи}

Переменный ток от эмиттера к корпусу «обходит» резистор через новый конденсатор, поэтому не будет происходить никакого значительного падения напряжения между эмиттером и землей, чтобы «подаваться обратно» на вход и подавлять усиление по напряжению. С другой стороны, постоянный ток не может проходить через конденсатор обхода, поэтому он должен проходить через резистор обратной связи, создавая падение постоянного напряжения между эмиттером и землей, которое уменьшает усиление по постоянному напряжению и стабилизирует отклик усилителя на постоянное напряжение, предотвращая тепловой разгон. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (X_C) было как можно ниже, величина C_обхода должна быть относительно большой. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, то для этой задачи безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другим подходом к проблеме снижения усиления по напряжению из-за отрицательной обратной связи является использование не однокаскадных, многокаскадных усилителей. Если ослабленного усиления одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать это снижение. Пример схемы, показывающей отрицательную обратную связь в трехкаскадном усилителе с общим эмиттером, приведен ниже.

Обратная связь, охватывающая нечетное количество непосредственно соединенных каскадов, создает отрицательную обратную связь

Путь обратной связи от конечного выхода к входу осуществляется через один резистор R_{обр.связи}. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (соответственно, инвертирующий), нечетное количество каскадов от входа до выхода инвертирует входной сигнал; обратная связь будет отрицательно (дегенеративной). В этом случае можно использовать относительно большую величину обратной связи, не жертвуя усилением по напряжению, поскольку три каскада усилителя изначально обеспечивают очень большое усиление.

Сначала такой подход к разработке схем может показаться неэлегантным и, возможно, даже контрпродуктивным. Разве это не достаточно грубый способ преодолеть снижение усиления, вызванное использованием отрицательной обратной связи, – восстановление усиления путем простого добавления каскад за каскадом? Какай смысл создавать огромное усиление по напряжению с помощью трех транзисторных каскадов, если мы собираемся их просто ослабить отрицательной обратной связью? Суть, хотя, возможно, и неочевидная поначалу, – это повышение предсказуемости и стабильности схемы в целом. Если три транзисторных каскада спроектированы так, чтобы обеспечить произвольно большое усиление по напряжению (десятки тысяч или более) без отрицательной обратной связи, можно обнаружить, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общее усиление по напряжению становится менее зависимым от коэффициентов усиления отдельных каскадов и приблизительно равным простому отношению R_{обр.связи}/R_вх. Чем больше у схемы коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи), тем ближе коэффициент усиления по напряжению будет соответствовать отношению R_{обр.связи}/R_вх после установки обратной связи. Другими словами, коэффициент усиления по напряжению этой схемы фиксируется значениями двух резисторов, и не более того.

Это является преимуществом для массового производства электронных схем: если усилители с предсказуемых коэффициентом усиления по напряжению могут быть построены с использованием транзисторов со значениями β в широком диапазоне, это облегчает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя слабо меняется при изменении температуры. Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возводится почти до уровня искусства в электронных схемах, называемых операционными усилителями (ОУ). Вы можете прочитеть об этих схемах в главе 8.

Источник