Меню

Как осуществляется обратная связь по току

Классификация обратных связей в усилителях

рис. 2.9

Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС), которая и будет рассматриваться ниже. При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала.

Когда в 1928 г. была предпринята попытка запатентовать отрицательную обратную связь, то эксперты не увидели ее полезности и дали отрицательный ответ. И действительно, на первый взгляд, отрицательная обратная связь только уменьшает коэффициент усиления усилителя. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в электронике в частности, один недостаток того или иного решения может значительно перевешиваться его достоинствами.

Отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает коэффициент усиления, но исключительно благотворно влияет на многие параметры и характеристики усилителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частот коэффициент усиления оказывается не зависящим от частоты и т. д.

Различают следующих 4 вида обратных связей в усилителе (рис. 2.9):

  • последовательная по напряжению (а);
  • параллельная по напряжению (б);
  • последовательная по току (в);

рис. 2.9

  • параллельная по току (г).

На рис. 2.9 обозначено:

  • К — коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи;
  • β — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль — то это OC по току.

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

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:

  1. параллельная обратная связь по напряжению.
  2. параллельная обратная связь по току.
  3. последовательная обратная связь по напряжению.
  4. последовательная обратная связь по току.

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 RH, а выход цепи ОС – параллельно входу усилителя.

Структурная схема параллельной обратной связи по напряжению

Структурная схема параллельной обратной связи по напряжению.

Таким образом, входное напряжение цепи ОС UСВ равно выходному напряжению на нагрузке UН, а выходное напряжение цепи ОС UОС пропорционально сумме токов входного сигнала IСИГ и цепи ОС IOC 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.

Читайте также:  Безопасным для человека считают ток

Параллельная обратная связь по току

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

Структурная схема параллельной обратной связи по току

Структурная схема параллельной обратной связи по току.

Данный вид ОС характеризуется следующими параметрами: входное напряжение ОС UOC пропорционально выходному току усилителя протекающего через резисторы RT и RH, а выходное напряжение цепи ОС UОС пропорционально сумме токов входного сигнала IСИГ и цепи ОС IOC 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 RT 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 RH, а выхода цепи ОС – последовательно с входом усилителя.

Структурная схема усилителя с последовательной цепью ОС по напряжению

Структурная схема усилителя с последовательной цепью ОС по напряжению.

В последовательной обратной связи по напряжению входное напряжение UСВ равно выходному напряжению на нагрузке UН. В тоже время сумма выходного напряжения цепи ОС UОС и напряжения источника сигнала UСИГ равна входному напряжению усилителя UВХ.

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 RT, а выход цепи ОС подключен последовательно с источником сигнала и входом усилителя.

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току.

Последовательная обратная связь по току имеет следующие характеристики. Входное напряжение цепи ОС UCB пропорционально выходному току усилителя ICB, который протекает через резисторы RH, RT и RВЫХ, а выходное напряжение цепи ОС UОС совместно с напряжением источника сигнала UСИГ составляет входное напряжение усилителя UВХ.

Из вышеизложенного следует, что при уменьшении сопротивлений RH, RT и RВЫХ, 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

Последовательная обратная связь по току

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току приведена на рис. 10.16. Напряжение обратной связи Uос снимается с резистора Rос, включенного последовательно с нагрузкой Rн, при протекании через резисторы выходного тока Iвых.

Коэффициент передачи для последовательной обратной связи по току представляет собой проводимость или крутизну передачи. Однако удобнее анализировать схему с помощью коэффициента передачи напряжения

Для входной цепи справедливо выражение , а коэффициент усиления определяется выражением

Выражение (10.31) показывает, что последовательная обратная связь по току оказывает такое же влияние на коэффициент усиления и его нестабильность, как и последовательная обратная связь по напряжению.

Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью равно

Y21 – проводимость прямой передачи усилителя с обратной связью, которая меньше нуля для отрицательной обратной связи по току.

Поэтому входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току, увеличивается в раз, а положительная ОС уменьшает его в раз.

Выходное сопротивление усилителя, охваченного последовательной обратной связью по току, определяется при подаче переменного напряжения на выход усилителя Uвых при коротком замыкании генератора ( )

Подставив значения Iвых и в выражение (10.34), получим

Отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя, а положительная увеличивает или уменьшает его в зависимости от величины .

Данный тип обратной связи применяется тогда, когда необходимо иметь очень большое выходное сопротивление усилителя. В этом случае усилитель эквивалентен генератору тока, и выходной ток Iвых не зависит от сопротивления нагрузки.

Независимо от вида, отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:

1. Уменьшение коэффициента усиления.

2. Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов.

3. Уменьшение уровня нелинейных искажений.

4. Расширение полосы пропускания.

Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.

Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.

Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в усилителях могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие его работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:

– паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания;

– емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

– магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи ( ) усилитель самовозбуждается, т.е. в усилителе возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RС–фильтры. В некоторых случаях первые каскады усилителя даже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают емкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом и требуют большого практического опыта.

Читайте также:  Пассивное сопротивление в цепи постоянного тока

10.7. Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от значений постоянного тока и падения напряжения на транзисторе усилительного каскада и амплитуды входного усиливаемого сигнала различают основные режимы работы усилительного каскада: А, В, С, D, АВ.

В режиме класса Аположение рабочей точки выбирается таким образом, чтобы при движении по линии нагрузки она не заходила в нелинейную начальную область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. На входной характеристике (рис. 10.17,а) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя Iбо располагалось на середине этого линейного участка. Амплитуды переменных составляющих входного Iбm и выходного Iкm токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис. 10.17,б), в режиме А не могут превышать токи покоя Iбо и Iко соответственно. Режим класса А характеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала ( ). Режим класса А является наименее экономичным, в виду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значи-

тельно большими величинами пос-тоянных соста-вляющих Iко, Uкэо. В связи с этим КПД усилительного кас-када в режиме А невелик, всегда меньше 40 %. Ре-жим класса А применяется в тех случаях, когда необходимы мини-мальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими, это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.

Режим класса В – это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис. 10.18). В режиме класса В транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки q=90°. Углом отсечки называют половину времени пе-

риода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя в пределах 60…70 %. Режим класса В применяется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы был линейный характер характеристик. В связи с этим режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала ( ) и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его используют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.

Режим класса АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 10.19). При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, равный 5…15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в режиме класса АВ несколько больше и достигает 120…130°.

При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений ( ), полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора. КПД каскадов, работающих в режиме АВ, выше, чем каскадов в классе А, но меньше чем в классе В за счет наличия малого входного тока покоя Iбо.

Режим класса С – это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через транзистор протекает в течение времени меньшего половины входного сигнала (рис. 10.20). Угол отсечки меньше , а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100 %.

С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой гармоники. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.

Режим класса D – это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100 %.

Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.

Источник



Что такое обратная связь в электронике и автоматике

Обратная связь — воздействие выходной величины какой-либо системы С (рис. 1) на вход этой же системы. В более широком смысле обратная связь — воздействие результатов функционирования некоторой системы на характер этого функционирования.

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.

Читайте также:  Устройства дифференциального тока удт

Что такое обратная связь в электронике и автоматике

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

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.

Системы автоматического регулирования

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.

Принцип устройства систем автоматического регулирования (САР)

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.

Роботы на промышленном предприятии

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.

Автопилот самолета

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