Обратные связи в усилителях

Обратной связью (ОС) называется связь между входными и выходными цепями какого-либо устройства. В зависимости от соотношения фаз колебаний, поступающих на вход усилителя от источника сигнала и с выхода усилителя через цепь обратной связи, обратная связь может быть положительной (ПОС) и отрицательной (ООС).При ПОС фазы этих колебаний совпадают и коэффициент усиления возрастает. ООС снижает коэффициент усиления. ОС делятся на полезные, специально вводимые и вредные, или паразитные (в том числе внутренние).

По способу осуществления различают ОС по напряжению, току и смешанную. По способу введения напряжения ОС во входную цепь - параллельную (рис. 1) и последовательную (рис. 2). При обратной связи по току напряжение ОС пропорционально выходному току.

Рис. 1 - Структурная схема усилителя с последовательной ООС по напряжению

Рис. 2 - Структурная схема усилителя с параллельной ООС по напряжению

В УЗЧ в основном применяют ООС по напряжению. При последовательной ООС по напряжению напряжение сигнала снимается с нагрузки Z_н и через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β<1 подается во входную цепь, где вычитается напряжение обратной связи U_ос из входного напряжения U_вх. При параллельной ООС из входного тока I_вх вычитается ток обратной связи I_ос.

Для того, чтобы определить, какой является связь - по току или по напряжению, необходимо учитывать тот факт, что ОС по току исчезает при обрыве нагрузки, а ОС по напряжению - при коротком замыкании (КЗ). Для того, чтобы определить, является ли ОС последовательной или параллельной, необходимо учесть тот факт, что последовательная ОС исчезает при обрыве источника сигнала, параллельная ОС исчезает при коротком замыкании (КЗ) источника сигнала.

При очень малом выходном сопротивлении источника сигнала (Z_с^→0) параллельная обратная связь неосуществима, т. к. источник сигнала закорачивает цепь обратной связи. При очень большом выходном сопротивлении источника сигнала неосуществима последовательная ОС, т. к. при Z_с→∞ цепь обратной связи разорвана.

Влияние ООС на параметры усилителя зависист от вида связи. При последовательной ООС коэффициент усиления тока не изменяется. Коэффициент усиления напряжения определяется из выражения:

При параллельной ООС коэффициент усиления напряжения не изменяется, коэффициент усиления тока уменьшается в (1 + βK_I) раз, входное сопротивление уменьшается в (1 + βK) раз.

Влияние ООС на выходное сопротивление усилителя определяется только способом снятия ОС с выхода усилителя, т. е. зависит от вида связи - по току или по напряжению. При введении ООС по току выходное сопротивление увеличивается, по напряжению - уменьшается.

При введении частотно-независимой ООС по напряжению стабилизируется выходное напряжение, и как следствие, уменьшается неравномерность АЧХ. При помощи частотно-зависимой ООС можно придать АЧХ усилителя различную форму.

При введении последовательной ООС по напряжению уменьшается коэффициент гармоник при условии, что ОС является отрицательной как для первой, так для высших гармоник сигнала. Если для какой-либо высшей гармоники ОС окажется положительной, например, вследствие фазовых сдвигов на высших частотах, коэффициент гармоник может возрасти. Следует помнить, что введением ООС нельзя сделать искажения меньшими, чем они были на входе усилителя. Уровень собственных шумов усилителя при введении ООС также уменьшается.

Устойчивость усилителя с ООС зависит от коэффициента усиления и коэффициента передачи цепи обратной связи, т. е. от глубины ООС. При глубокой ООС фазовые сдвиги на низших и высших рабочих частотах обуславливают появление ПОС, которая вызывает неустойчивость работы усилителя, а иногда и самовозбуждение. Из-за этого в усилителях с глубокой ООС необходимо расширять диапазон частот с линейной ФЧХ.

Использование ПОС позволяет повысить коэффициент усиления или получить отрицательное выходное сопротивление усилителя, что приводит к улучшению работы акустических систем (АС). Одновременно с ПОС необходимо обязательно применять ООС, иначе работа усилителя будет неустойчивой.