Отзыв

Если некоторый процент выходного сигнала усилителя подключен к входу, так что усилитель усиливает часть своего выходного сигнала, мы получаем так называемую обратную связь . .

Категории отзывов

Отзывы бывают двух видов: положительный (также называется регенеративный ) и отрицательное (также называется дегенеративный ) .

Положительный отзыв

Усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, в то время как отрицательная обратная связь делает прямо противоположное.

Знакомый пример обратной связи происходит в системах громкой связи («PA»), когда кто-то держит микрофон слишком близко к говорящему:следует пронзительный «вой» или «вой», потому что система аудиоусилителя обнаруживает и усиливает его шум. В частности, это пример положительного или регенеративный обратная связь, поскольку любой звук, обнаруживаемый микрофоном, усиливается и превращается в более громкий звук динамиком, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее. . . в результате шум постоянно увеличивается до тех пор, пока система не станет «насыщенной» и не сможет производить больше громкости.

Можно задаться вопросом, какова возможная обратная связь для схемы усилителя, учитывая такой раздражающий пример, как «вой» системы PA. Если мы вводим положительную или регенеративную обратную связь в схему усилителя, она имеет тенденцию создавать и поддерживать колебания, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи от выхода к входу. Это один из способов сделать осциллятор цепь для производства переменного тока от источника постоянного тока. Осцилляторы - очень полезные схемы, поэтому обратная связь имеет для нас определенное практическое применение.

Отрицательный отзыв

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает «демпфирующее» действие на усилитель:если выходной сигнал увеличивается по величине, сигнал обратной связи оказывает уменьшающееся влияние на вход усилителя, тем самым препятствуя изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная связь ведет схему усилителя к точке нестабильности (колебания), отрицательная обратная связь ведет ее в противоположном направлении:к точке стабильности.

Схема усилителя, снабженная некоторой отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает форму входного сигнала и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Компромисс для этих преимуществ (есть только имеет быть недостатком для отрицательной обратной связи, не так ли?) - это пониженное усиление. Если часть выходного сигнала усилителя «возвращается» на вход, чтобы противодействовать любым изменениям на выходе, потребуется большая амплитуда входного сигнала, чтобы добиться на выходе усилителя той же амплитуды, что и раньше. Это представляет собой уменьшенное усиление. Однако такие преимущества, как стабильность, меньшие искажения и большая полоса пропускания, для многих приложений оправдывают снижение коэффициента усиления.

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

Усилитель с общим эмиттером без обратной связи.

Показанная здесь конфигурация усилителя представляет собой общий эмиттер с цепью смещения резисторов, образованной R1 и R2. Конденсатор соединяет Vinput с усилителем, так что источник сигнала не имеет постоянного напряжения, наложенного на него цепью делителя R1 / R2. Резистор R3 служит для управления усилением напряжения. Мы могли бы опустить его для максимального усиления напряжения, но поскольку такие базовые резисторы часто встречаются в схемах усилителей с общим эмиттером, мы сохраним его в этой схеме.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот инвертирует входной сигнал по мере его усиления. Другими словами, положительное входное напряжение вызывает уменьшение выходного напряжения или движение к отрицательному, и наоборот.

Осциллограммы осциллографа показаны на рисунке ниже.

Усилитель с общим эмиттером, без обратной связи, с эталонными формами сигналов для сравнения.

Поскольку выход инвертирован, или зеркальное отображение, воспроизведение входного сигнала, любое соединение между выходным (коллекторным) проводом и входным (базовым) проводом транзистора на рисунке ниже приведет к отрицательному обратная связь.

Отрицательная обратная связь, обратная связь коллектора, снижает выходной сигнал.

Сопротивления R1, R2, R3 и Rfeedback вместе функционируют как сеть смешивания сигналов, так что напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно земли), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате чего в сигнале пониженной амплитуды, идущем на транзистор. Таким образом, схема усилителя на рисунке выше будет иметь пониженное усиление по напряжению, но улучшенную линейность (уменьшенные искажения) и увеличенную полосу пропускания.

Однако резистор, соединяющий коллектор с базой, - не единственный способ ввести отрицательную обратную связь в эту схему усилителя. Другой метод, хотя сначала более сложный для понимания, включает размещение резистора между выводом эмиттера транзистора и землей цепи, как показано на рисунке ниже.

Обратная связь эмиттера:другой метод введения отрицательной обратной связи в схему.

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение пропорционально току эмиттера, проходящего через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход база-эмиттер транзистора. Давайте внимательнее рассмотрим переход эмиттер-база и посмотрим, чем отличается этот новый резистор на рисунке ниже.

При отсутствии резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей на рисунке ниже (а), любой уровень входного сигнала (Vinput), проходящего через конденсатор связи, и цепь резисторов R1 / R2 / R3 будет воздействовать непосредственно на переход база-эмиттер, как входное напряжение транзистора (VB-E). Другими словами, без резистора обратной связи VB-E равно Vinput. Следовательно, если Vinput увеличивается на 100 мВ, то VB-E увеличивается на 100 мВ:изменение одного равно изменению другого, поскольку два напряжения равны друг другу.

Теперь давайте рассмотрим влияние вставки резистора (обратной связи) между выводом эмиттера транзистора и землей на рисунке ниже (b).

(а) Нет обратной связи против (б) обратной связи от эмиттера. Форма волны на коллекторе инвертирована относительно базы. На (b) форма волны эмиттера синфазна (эмиттерный повторитель) с базой, не в фазе с коллектором. Следовательно, сигнал эмиттера вычитается из выходного сигнала коллектора.

Обратите внимание, как падение напряжения на Rfeedback складывается с VB-E, чтобы равняться Vinput. С Rfeedback в цикле Vinput — VB-E, VB-E больше не будет равняться Vinput. Мы знаем, что Rfeedback будет понижать напряжение, пропорциональное току эмиттера, который, в свою очередь, контролируется током базы, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база-эмиттер транзистора (VB-E). Таким образом, если Vinput будет увеличиваться в положительном направлении, это приведет к увеличению VB-E, вызывая больший базовый ток, вызывая больший ток коллектора (нагрузки), вызывая больший ток эмиттера и вызывая падение большего напряжения обратной связи на Rfeedback. Однако это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи вычитает от Vinput, чтобы уменьшить VB-E, так что фактическое увеличение напряжения для VB-E будет меньше, чем увеличение напряжения Vinput. Увеличение Vinput на 100 мВ больше не будет приводить к полному увеличению на 100 мВ для VB-E, потому что два напряжения не равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение имеет меньший контроль над транзистором, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению для усилителя уменьшается:именно то, что мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь - не просто роскошь; это необходимость для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы построить и эксплуатировать транзисторный усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и получить полную амплитуду Vinput на переходе база-эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой выигрыш по напряжению. К сожалению, соотношение между напряжением база-эмиттер и током база-эмиттер изменяется с температурой, как и предсказывается «уравнением диода». По мере нагрева транзистора будет меньше прямого падения напряжения на переходе база-эмиттер для любого заданного тока. Это вызывает у нас проблему, поскольку сеть делителей напряжения R1 / R2 предназначена для обеспечения правильного тока покоя через базу транзистора, чтобы он мог работать в любом желаемом классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса А). Если соотношение напряжение / ток транзистора изменяется с температурой, величина напряжения смещения постоянного тока, необходимая для желаемого класса работы, изменится. Горячий транзистор потребляет больше тока смещения при той же величине напряжения смещения, заставляя его нагреваться еще больше, потребляя еще больший ток смещения. Результат, если этот флажок не установлен, называется тепловым разгоном . .

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

Усилитель с общим коллектором (эмиттерным повторителем).

Обратите внимание, что нагрузочный резистор усилителя с общим коллектором (рисунок выше) установлен в том же месте, что и резистор обратной связи в последней цепи на рисунке выше (b):между эмиттером и землей. Это означает, что единственное напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер транзистора, - это разница между Vinput и Voutput, что приводит к очень низкому коэффициенту усиления по напряжению (обычно близкому к 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя невозможен тепловой разгон:если ток базы увеличивается из-за нагрева транзистора, ток эмиттера также увеличивается, что приводит к большему падению напряжения на нагрузке, что, в свою очередь, вычитает от Vinput, чтобы уменьшить падение напряжения между базой и эмиттером. Другими словами, отрицательная обратная связь, обеспечиваемая размещением нагрузочного резистора, делает проблему теплового разгона самокорректирующейся . . В обмен на значительно сниженный коэффициент усиления по напряжению мы получаем превосходную стабильность и защиту от теплового разгона.

Добавляя резистор «обратной связи» между эмиттером и землей в усилителе с общим эмиттером, мы делаем усилитель немного менее похожим на «идеальный» общий эмиттер и немного больше похожим на общий коллектор. Значение резистора обратной связи обычно немного меньше, чем нагрузка, что сводит к минимуму количество отрицательной обратной связи и сохраняет довольно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Еще одно преимущество отрицательной обратной связи, ясно видимое в схеме с общим коллектором, состоит в том, что она снижает зависимость коэффициента усиления по напряжению усилителя 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 транзистор с другим β и не увидеть каких-либо значительных изменений коэффициента усиления по напряжению. В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой с другим β, коэффициент усиления по напряжению для усилителя значительно изменился бы. В усилителе с общим эмиттером, оснащенном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению все еще будет в некоторой степени зависеть от транзистора β, но не так сильно, как раньше, что делает схему более предсказуемой, несмотря на изменения в транзисторе β.

Тот факт, что мы должны ввести отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является неудовлетворительным решением. Можно ли избежать теплового разгона, не подавляя изначально высокое усиление по напряжению усилителя? Лучшее из двух решений этой дилеммы станет для нас доступным, если мы внимательно рассмотрим проблему:усиление напряжения, которое мы должны минимизировать, чтобы избежать теплового разгона, - это постоянный ток усиление напряжения, а не переменного тока усиление напряжения. В конце концов, не входной сигнал переменного тока способствует тепловому разгону:это напряжение смещения постоянного тока, необходимое для определенного класса работы:этот сигнал постоянного тока покоя, который мы используем, чтобы «обмануть» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) и усилить его. сигнал переменного тока. Мы можем подавить усиление постоянного напряжения в схеме усилителя с общим эмиттером, не подавляя при этом усиление переменного напряжения, если найдем способ заставить отрицательную обратную связь работать только с постоянным током. То есть, если мы возвращаем только инвертированный сигнал постоянного тока с выхода на вход, но не инвертированный сигнал переменного тока.

Эмиттерный резистор с обратной связью обеспечивает отрицательную обратную связь, понижая напряжение, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается путем вставки импеданса в путь тока эмиттера. Если мы хотим возвращать постоянный ток, но не переменный, нам нужен импеданс, который будет высоким для постоянного тока, но низким для переменного тока. Какая схема имеет высокий импеданс для постоянного тока, но низкий импеданс для переменного тока? Конечно же, фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи на рисунке ниже, мы создаем ту самую ситуацию, которая нам нужна:путь от эмиттера к земле проще для переменного тока, чем для постоянного.

Восстановление высокого напряжения переменного тока путем добавления байпаса параллельно с обратной связью

Новый конденсатор «шунтирует» переменный ток от эмиттера транзистора к земле, так что никакое заметное переменное напряжение не будет падать с эмиттера на землю для «обратной связи» со входом и подавления усиления напряжения. С другой стороны, постоянный ток не может проходить через байпасный конденсатор и поэтому должен проходить через резистор обратной связи, понижая напряжение постоянного тока между эмиттером и землей, что снижает коэффициент усиления постоянного напряжения и стабилизирует реакцию усилителя на постоянном токе, предотвращая тепловой пробой. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (XC) было как можно меньше, байпас должен быть относительно большим. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, для этой задачи можно безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другой подход к проблеме отрицательной обратной связи, уменьшающей коэффициент усиления по напряжению, заключается в использовании многокаскадных усилителей, а не однотранзисторных усилителей. Если ослабленное усиление одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать уменьшение, вызванное обратной связью. Пример схемы, показывающей отрицательную обратную связь в трехкаскадном усилителе с общим эмиттером, на рисунке ниже.

Обратная связь вокруг «нечетного» количества каскадов с прямым соединением с общим эмиттером приводит к отрицательной обратной связи.

Путь обратной связи от конечного выхода к входу проходит через единственный резистор Rfeedback. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (таким образом, инвертирующий), нечетное количество каскадов от входа к выходу будет инвертировать выходной сигнал; обратная связь будет отрицательной (дегенеративной). Можно использовать относительно большие объемы обратной связи без ущерба для усиления по напряжению, потому что три каскада усилителя для начала обеспечивают большое усиление.

Поначалу такая философия дизайна может показаться неэлегантной и, возможно, даже контрпродуктивной. Разве это не довольно грубый способ преодолеть потерю усиления, вызванную использованием отрицательной обратной связи, - просто восстановить усиление, добавляя этап за этапом? Какой смысл создавать огромное усиление по напряжению с использованием трех транзисторных каскадов, если мы все равно собираемся ослабить все это усиление с помощью отрицательной обратной связи? Дело в повышении предсказуемости и стабильности схемы в целом, хотя поначалу это может быть не очевидно. Если три транзисторных каскада предназначены для обеспечения произвольно высокого коэффициента усиления по напряжению (в десятки тысяч или более) без обратной связи, будет обнаружено, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общий коэффициент усиления по напряжению становится менее зависимым от конкретного человека. ступени и примерно равны простому соотношению Rfeedback / Rin. Чем больше коэффициент усиления по напряжению в схеме (без обратной связи), тем точнее коэффициент усиления по напряжению будет приблизительно соответствовать Rfeedback / Rin после установления обратной связи. Другими словами, усиление напряжения в этой схеме фиксируется номиналами двух резисторов и не более того.

Это преимущество для массового производства электронных схем:если усилители с предсказуемым усилением могут быть построены с использованием транзисторов с широко варьируемыми значениями β, это упрощает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя мало меняется при изменении температуры. Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возведен почти до уровня искусства в электронных схемах, называемых операционными усилителями , или операционные усилители . Вы можете узнать больше об этих схемах в следующих главах этой книги!

ОБЗОР:

• Отзыв представляет собой связь выхода усилителя с его входом.
• Положительно или регенеративный обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя нестабильной, что приводит к колебаниям (переменный ток). Частота этих колебаний во многом определяется компонентами сети обратной связи.
• Отрицательный или дегенеративная обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя более стабильной, так что ее выход изменяется меньше для данного входного сигнала, чем без обратной связи. Это снижает коэффициент усиления усилителя, но имеет то преимущество, что уменьшает искажения и увеличивает полосу пропускания (диапазон частот, с которым может работать усилитель).
• Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером путем соединения коллектора с базой или путем вставки резистора между эмиттером и землей.
• Резистор «обратной связи» между эмиттером и землей обычно используется в схемах с общим эмиттером в качестве профилактической меры против теплового разгона . .
• Отрицательная обратная связь также имеет то преимущество, что усиление напряжения усилителя больше зависит от номиналов резистора и меньше зависит от характеристик транзистора.
• Усилители с общим коллектором имеют много отрицательной обратной связи из-за размещения нагрузочного резистора между эмиттером и землей. Эта обратная связь обеспечивает чрезвычайно стабильный коэффициент усиления по напряжению усилителя, а также его устойчивость к тепловому разгоне.
• Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим эмиттером можно восстановить без ущерба для устойчивости к тепловому разгоне, подключив байпасный конденсатор параллельно эмиттеру «резистор обратной связи».
• Если усиление по напряжению усилителя произвольно велико (десятки тысяч или больше), а отрицательная обратная связь используется для уменьшения усиления до разумных уровней, будет обнаружено, что усиление будет примерно равно обратной связи R _. / R _в . Изменения в транзисторе β или других значениях внутренних компонентов мало повлияют на усиление напряжения при работе обратной связи, в результате чего усилитель будет стабильным и простым в конструкции.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист усилителей BJT класса A