1.7.Влияние отрицательной обратной связи на частотные и фазовые характеристики усилителя

Рассмотренный в предыдущих разделах случай, когда усилитель и цепь ООС не вносят фазовых сдвигов, значения которых зависят от частоты, является идеализированным. Реальный усилитель всегда вносит дополнительные фазовые сдвиги. Они обусловлены наличием реактивных элементов в цепях усилителя и инерционными свойствами транзисторов.. Поэтому реально коэффициенты _ос и К — комплексные величины.

Если цепь ООС вносит небольшие фазовые сдвиги, то при _осК К » 1 фазовый сдвиг усилителя с ООС существенно уменьшается и определяется в основном фазовым сдвигом цепи ОС.

Пусть усилитель без ОС вносит фазовый сдвиг φ₁ , тогда коэффициент усиления усилителя = К е^jφ1 — комплексный. Фазовый сдвиг, вносимый цепью ОС (φ₂), во много раз меньше фазового сдвига усилителя.

Коэффициент усиления усилителя с ОС при _осК » 1

К_ос = = е^{-j φ2}.

При φ2→ 0 фазовый сдвиг, вносимый усилителем с ООС, достаточно мал и, в первом приближении, стремится к нулю.

При введении ООС в многокаскадном усилителе практически всегда найдется участок частот, где ООС станет положительной. Поэтому в общем случае глубина OOС ограничена областью, где в усилителе не возникают автоколебания. Изменение сигнала ОС при изменении частоты можно пояснить следующим образом. Пусть на некоторой частоте фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен 180°, а цепь ОС не вносит фазового сдвига. В этом случае входной сигнал и сигнал ОС находятся в противофазе, а результирующий сигнал U₁ совпадает с U_вх. (см. рис. 1.12, a).

При изменении частоты входного сигнала изменяется фазовый сдвиг напряжения на выходе усилителя и становится равным φ= 180+ φ_д, где φ_д — дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный изменением частоты входного сигнала. Теперь векторы , и не совпадают по направлению (рис. 1.12, б). Из входного сигнала вычитается только проекция вектора на горизонтальную ось. Вектор напряжения на входе усилителя теперь не совпадает с , но ОС при этом остается отрицательной — и результирующий фазовый сдвиг усилителя с ОС меньше, чем без ОС. На частоте, где φ_доп достигает 90°, проекция вектора на горизонтальную ось равна нулю (рис. 1.12, в). В этом случае напряжение не изменяет горизонтальную составляющую вектора входного напряжения . На частоте, где φ_доп достигает 90°, проекция вектора на горизонтальную ось равна нулю (рис. 1.12, в). В этом случае не изменяет горизонтальную составляющую вектора входного напряжения . Тем не менее, на этой частоте ОС меняет параметры усилителя. Так при малой глубине ООС │К_ос│ 1 цепь ООС практически не меняет фазового сдвига выходного напряжения и он остается равным φ = 180 + φ_доп = 270°. При │К _ос│= 1 цепь ООС уменьшает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения на 45° и он становится равным φ = 225°. При │К_ос│»1 дополнительный фазовый сдвиг φ_доп стремится к нулю. На частоте, где φ_доп > 90°, ОС из отрицательной превращается в положительную (рис. 1.12, г), а векторы входного сигнала и напряжения ОС суммируются. В последнем случае нарушается устойчивая работа усилителя. По этой причине введение ОС в усилитель требует проведения исследования его на устойчивость.

Рис.1.12. Изменение сигнала обратной связи при изменении частоты:

а) – отрицательная при φ_доп = 0; б) – отрицательная при φ_доп 0;

в) – обратная связь при φ_доп = 90; г) – положительная обратная связь

На рис. 1.13, а, б приведены частотные и фазовые характеристики двухкаскадного усилителя с обратной связью.

а) б)

Рис. 1.13. Частотные характеристики двухкаскадного усилителя: а) АЧХ, б) ФЧХ

Из рис. 2.13, а видно, что при определенных условиях амплитудно-частотная характеристика становится немонотонной и наблюдается ее подъем в области высоких частот (рис. 1.13, а). Этот подъем обусловлен тем, что из-за фазовых сдвигов обратная связь становится положительной на высоких частотах и увеличивает общий коэффициент усиления усилителя. Чем больше будет дополнительный фазовый сдвиг в диапазоне частот, где _осК>1, тем сильнее будет влияние положительной ОС и тем больший подъем будет иметь частотная характеристика (кривая К_ос = 10).

Частотно-зависимая OOС изменяет частотную характеристику устройства в которое она введена по закону, обратному закону изменения коэффициента передачи цепи обратной связи при изменении частоты входного сигнала. Это свойство OOС широко используется для коррекции частотной характеристики широкополосного усилителя в области низких и высоких частот, конструирования избирательных усилителей, активных фильтров и т.д.