Что за "зверь" обратная связь?

14.11.16

[Домашняя]

 

Смысл понятия обратной связи (ОС) можно попытаться понять даже из названия. Что-то делается "обратно" Иногда такая связь настолько завуалирована, что сразу увидеть ее наличие не удается, Обратная связь — это, в общем случае, когда часть того, что имеем на выходе какого-либо "черного ящика" (устройства А), подается обратно на вход этого самого "ящика" через цепи ОС (Кос), как показано на рис.1.

Поясним, что "черным ящиком" кибернетики называют устройство, у которого известны входные и выходные сигналы, но "покрыта полным мраком" внутренняя "начинка". Обратная связь, вообще говоря, делится на два вида. Это положительная обратная связь (не всегда такая уж хорошая), когда сигнал, прошедший цепи ОС, увеличивает величину входного сигнала за счет сложения с ним, Также бывает отрицательная обратная связь (не обязательно плохая), когда сигнал ОС уменьшает входной, вычитаясь из него. Еще говорят, что при положительной обратной связи фазы входного сигнала и сигнала ОС совпадают, а при отрицательной — все наоборот, входной сигнал и "ОС-ный" противофазны. Положительная обратная связь в усилительном устройстве приводит к увеличению усиления и, если такая связь достаточно сильная, это устройство может превратиться в генератор. Ввиду того что даже начинающие ра­диолюбители теперь уже достаточно грамотны, и знают, что существуют такие приборы как операционные усилители (ОУ), имеет смысл рассмотреть использование обратной связи в основном на примере этих самых операционных усилителей. Ведь усилитель — он "и в Африке" усилитель, даже если и операционный. О нем, при желании, можно прочитать в [1]. Итак — обратная связь в операционном усилителе. Для полной ясности давайте вспомним параметры операционного усилителя, и какие они в идеале (в скобках). Конечно, нас интересуют некоторые из них:

-           коэффициент усиления (равен бесконечности);

-           входные токи (бесконечно малые);

-           входное и выходное сопротивления (бесконечно большое и, соответственно, бесконечно малое);

-           напряжение смещения нуля на выходе (бесконечно малое).

Характеристики реальных усилителей, безусловно, не такие. Но если вы делаете не слишком прецизионную "штуковину", то не будет большой ошибкой считать усилитель идеальным. Цепи питания ОУ подключаются "стандартно", т.е. к "+и и биполярного источника питания с использованием блокировочных конденсаторов С1 и C2 как показано на рис.2  На схемах их рисуют не всегда, но забывать об этих конденсаторах настоятельно не рекомендуем! Устанав­ливаются они на минимально возможном расстоянии от выводов питания ОУ. И вот теперь, вспомнив немного про операционный усилитель, займемся введением в схему его включения различных обратных связей. Будем подавать сигнал с выхода ОУ ему же на вход и смотреть, что из этого получается. Дальше, однако, никуда не денешься, и придется слегка напрячься, чтобы не запутаться в видах обратной связи. Их не так уж и много — всего четыре, но каждый обладает своими особенностями. На рис.3...6 показано, каким образом они образуются.

Давайте посмотрим, что это за связи:

-           параллельная обратная связь по напряжению (рис.3), при которой на вход цепи обратной связи Кос поступает выходное напряжение, а выход цепи обратной связи включается параллельно входу усилителя;

-           последовательная обратная связь по напряжению (рис.4), которая отличается от параллельной тем, что выход цепи обратной связи включается последовательно с входным сигналом;

-           параллельная обратная связь по току (рис.5). Здесь вход цепи обратной связи включается последовательно с выходным сигналом, вследствие чего величина обратной связи пропорциональна выходному току усилителя. Выход цепи обратной связи запараллелен со входом;

-           последовательная обратная связь по току (рис.6), отличается от параллельной тем, что, помимо последовательного включения входа цепи обратной связи, последовательно включается еще и ее выход.  Сформулируем, так сказать, правила обратных связей, т.е. как они влияют на исходный усилитель (без об­ратной связи). Введение ОС изменяет входное и выходное сопротивления усилителя. Характер этих изменений зависит не только от того, положительная она или отрицательная, но и от того, каким образом она подключается ко входу и выходу усилителя. ООО по напряжению (рис.3, 4) уменьшает выходное сопротив­ление усилителя, а по току (рис.5, 6) — увеличивает. Параллельная ООС (рис.3, 5) уменьшает входное сопротивление усилителя, а последовательная (рис.4, 6) — увеличивает. Отрицательная обратная связь играет главную роль во всевозможных усилителях. Например, в усилителях звуковой частоты ООС уменьшает коэффициент усиления. Может показаться, что это "глупая затея", раз коэффициент усиления уменьшается. Именно такой отзыв получил Г Блок, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. Однако, уменьшая коэффициент усиления, ООС также уменьшает и нелинейные искажения, а кроме того, стабилизирует все характеристики усилителя. Чем глубже ООС, тем меньше параметры усилительного каскада зависят от примененного опе­рационного усилителя (без ООС), и в конечном счете оказывается, что они определяются только свойствами самой схемы ООС. Будем считать, что мы уже имеем представление о том, что такое обратная связь, и рассмотрим простую схему двухкаскадного транзисторного усилителя с обратной связью, пока­занную на рис.7

Внимательно посмотрев на эту схему, можно заметить, что коллекторный резистор R5 транзистора VT2 входит еще и в схему обратной связи. Запишем пара­метры этого усилителя с разомкнутой и замкнутой цепью обратной связи. Для усилителя с разомкнутой обратной связью получим Ку=200 и Rвыx=10 кОм, а если эту схему "снабдить" обратной связью с Ку=20 (так сделано на рис.7), то будем иметь уже. Ку =9,5 и Rвыx= 500 Ом. Разница достаточно существенная! АЧХ данного усилителя — линейная. А возьмем, к примеру, электромагнитный звукосниматель для воспроизведения грамзаписи с виниловых пластинок (явное "ретро"по сравнению с CD- и DVD-дисками, но некоторые меломаны всерьез считают, что "винил" звучит лучше). Усилитель для работы с ним должен иметь АЧХ, удовлетворяющую не нами придуманному стандарту RIIA. Это вызвано тем, что электромагнитный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, которая увеличивается с увеличением частоты записанного сигнала. Следовательно, корректирующий усилитель должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах и спад на высоких. Достаточно близкая к этому стандарту характеристика показана на рис.8.

Именно такой характеристикой обладает усилитель, схема которого показана на рис.9.

Нас он интересует как пример использования отрицательной обратной связи для формирования необходимой амплитудно-частотной характеристики. На первом операционном усилителе DA1 собран линейный усилитель с коэффициентом усиления около 10, который определяется отрицательной обратной связью. Если кто-нибудь уже читал про операционные усилители, он, наверно, вспомнит, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на микросхеме DA1 Ку=1 +R2/R3. Так что даже в этом элементарном усилителе "правит балом" отрицательная обратная связь. Выходное напряжение делится де­лителем напряжения на резисторах R2 и R3, и то, что от него после этого осталось, подается на инвертирующий вход микросхемы DA1. Получается, что, как и положено при отрицательной обратной связи, часть выходного напряжения подается обратно на вход в противофазе. В усилителе на DA1 цепь обратной связи (резисторы R2 и R3) частотно независима, и поэтому он усиливает все частоты (звуковые) одинаково. Со вторым усилителем (на DA2) немного сложнее. В цепь обратной связи у него включен не просто резистор, а довольно сложная корректирующая цепочка. Номиналы резисторов и конденсаторов в ней выбраны такими, чтобы АЧХ этого усилителя была максимально близкой к кривой RHA. Вообще, обратная связь может творить достаточно интересные вещи! На рис.10 показана схема селективного усилителя со сложной отрицательной обратной связью.

Его АЧХ показана на рис.11.

Обратная связь здесь достаточно 'путаная", и поэтому желающим с ней разобраться придется приложить определенные усилия. Перейдем к схеме, в которой присутствуют одновременно и положительная, и отрицательная обратные связи. Такая схема показана на рис.12.

В общем-то, это генератор прямоугольных импульсов. Но раз это генератор, то смело можно сделать вывод, что положительная обратная связь в этой схеме "победила" отрицательную. ООС осуществляется через резистор R2, через который напряжение с выхода усилителя подается обратно на его инвертирующий вход. Положительная обратная связь образуется через делитель напряжения R3-R1. Делитель подключен к выходу операционного усилителя. С его помощью одна треть выходного напряжения подается на его прямой (неинвертирующий) вход. Получается интересная картина. По цепи ООС на вход подается вроде бы все напряжение с выхода, по цепи ПОС — всего только третья часть, а схема, несмотря на это, все равно "генерит" прямоугольные колебания (рис.1За).

Причина такого, на первый взгляд, "нехорошего" поведения схемы заключается в том, что в цепи ООС присутствует конденсатор С1, который и вносит "смуту" в работу схемы. На рис. 13б показано напряжение на конденсаторе, которое в "очень первом приближении" имеет вид треугольника.  Резистор R2 и конденсатор С1 представляют собой интегрирующую цепочку, то есть фильтр нижних частот первого порядка. Передаточная характеристика такого фильтра показана на рис.14.

Видно, что коэффициент передачи уменьшается с увеличением частоты, и, следовательно, начиная с некоторой частоты, ПОС станет сильнее ООС, и наша схема начнет генерировать импульсы, частота которых определяется постоянной времени т = R2 • С1. Чем меньше т, тем более высокой будет их частота. Однако операционный усилитель имеет конечную полосу пропускания, и поэтому импульсы на выходе не такой уж идеально прямоугольной формы. Из всего сказанного напрашивается вывод, что в одном и том же устройстве может присутствовать одновременно и положительная, и отрицательная обратные связи, причем это имеет место практически во всех реальных устройствах. Но одна из этих связей обычно "главнее" другой, и вторую тогда просто не принимают во внимание. Однако это справедливо только в определенном диапазоне частот. Примером может служить генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина (рис.15).

На рис.16 показана форма напряжения этого генератора. Оно сильно похоже на синусоиду (коей, в принципе, и должно быть).

Однако для этого коэффициент усиления усилителя должен быть по возможности ближе к трем. Если он будет меньше, то генератор просто не заработает (отрицательная обратная связь "задавит" положительную), при превышении этих "магических" трех — выходной сигнал получится немного искаженным, как на рис.16. В схеме на рис. 15 регулятором глубины ООС "работает" стабилитрон VD1, включенный в диагональ диодного моста VD2.. VD5. Здесь используется нелинейность вольтамперной характеристики стабилитрона. При увеличении напряжения на выходе DA1 сопротивление стабилитрона уменьшается, что приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи и, как следствие этого, к уменьшению амплитуды выходного напряжения, и наоборот. Таким образом, коэффициент усиления автоматически поддерживается немного больше трех. О том, что этот коэффициент именно немного больше "чем надо", говорят слегка ограниченные вершины синусоиды на рис.16. Ограничение синусоиды на рис.16 является вредным. Хороший генератор "синуса" должен давать ее "ровной" и "красивой". Но бывает, задача ставится по другому. Требуется, чтобы выходное напряжение изменялось до определенной величины, а дальше оставалось постоянным при росте входного сигнала. Здесь опять поможет стабилитрон. Точнее, два, включенные встречно, в цепь обратной связи ОУ (рис.17).

Получается амплитудный ограничитель сигнала, выходное напряжение которого прекращает расти на уровне ±(UCT+0,6) В, где Uct — напряжение стабилизации стабилитрона, 0,6 В—падение напряжения на стабилитроне, включенном в прямом направлении. Выходная характеристика ограничителя показана на рис.18.

Радиомир №8, №9 2002г стр. 37

Домашняя

Дата последнего изменения этого узла 14.11.2016