Обратная связь (биполярные транзисторы)

Если на вход усилителя подается некоторая часть его выходного сигнала, так что усилитель усиливает часть собственного выходного сигнала, то мы имеем так называемую обратную связь. Обратная связь бывает двух типов: положительная (так называемая регенеративная) и отрицательная (так называемая дегенеративная). Положительная обратная связь усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, а отрицательная – наоборот.

Известным примером обратной связи являются акустические системы, где кто-то держит микрофон слишком близко к громкоговорителю: возникают сильные «гудение» и «свист», поскольку усилительная аудиосистема обнаруживает и усиливает свой собственный шум. Это частный случай положительной или регенеративной обратной связи, так как любой звук, обнаруженный микрофоном, усиливается и превращается в громкий звук от динамика, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее... Результатом является шум неуклонно увеличивающейся громкости, пока система не будет «насыщена» и не сможет больше увеличивать громкость.

Можно задаться вопросом, какая выгода возможна от обратной связи в схеме усилителя, учитывая такой раздражающий пример, как «гудение» электроакустической системы. Если мы вводим положительную (или регенеративную) обратную связь в схему усилителя, то у него появляется склонность к созданию и поддержанию колебаний, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи с выхода на вход. Это один из способов создания схемы генератора для вырабатывания переменного напряжения от источника питания постоянного напряжения. Генераторы – это очень полезные схемы, и поэтому обратная связь имеет для нас определенное практическое применение. Смотрите «Фазосдвигающий генератор» в главе 9 в качестве практического применения положительной обратной связи.

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает на усилитель эффект «затухания»: если выходной сигнал увеличивает амплитуду, сигнал обратной связи оказывает на вход усилителя понижающее влияние, что противодействует изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная связь ведет схему усилителя к точке неустойчивости (к колебаниям), отрицательная обратная связь ведет ее в противоположном направлении: к точке устойчивости.

Схема усилителя, снабженная отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает входной сигнал и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Плата за эти преимущества (ведь должен же быть у отрицательной обратной связи недостаток?) – это уменьшение коэффициента усиления. Если часть выходного сигнала «подается обратно» обратно на вход, чтобы противодействовать любым изменениям выходного сигнала, то для получения такой же амплитуды выходного сигнала, что была раньше (без обратной связи), потребуется больший входной сигнал. Это уменьшает коэффициент усиления. Однако преимущества стабильности, меньших искажений и большей ширины полосы частот для многих приложений стоят того, чтобы заплатить путем уменьшения коэффициента усиления.

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

Схема усилителя, показанная здесь, представляет собой схему с общим эмиттером, со схемой смещения на делителе напряжения из резисторов R₁ и R₂. Конденсатор связывает источник V_вх с усилителем, чтобы на источник сигнала не поступало постоянное напряжение с делителя R₁/R₂. Резистор R₃ служит для управления коэффициентом усиления по напряжению. Мы могли бы убрать его для получения максимального усиления по напряжению, но поскольку подобные ему резисторы базы в схемах усилителей с общим эмиттером распространены, мы оставим его.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот усилитель при усилении инвертирует входной сигнал. Другими словами, увеличивающееся входное напряжение приводит к уменьшению выходного напряжения, а уменьшающееся – наоборот. Осциллограммы сигналов показаны на рисунке ниже.

Поскольку выходной сигнал представляет собой инвертированное (или зеркально отраженное) воспроизведение входного сигнала, любое соединение между выходным выводом (коллектором) и входным выводом (базой) транзистора (как на рисунке ниже) создаст в результате отрицательную обратную связь.

Сопротивления R₁, R₂, R₃ и R_{обр.связи} действуют вместе как схема смешения сигналов, поэтому напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно земли), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате чего на транзистор поступает сигнал уменьшенной амплитуды. Таким образом, схем усилителя на рисунке выше будет иметь пониженный коэффициент усиления по напряжению, но и улучшенную линейность (пониженные искажения) и увеличенную полосу частот.

Резистор, связывающий коллектор с базой, не является единственным способом введения в схему этого усилителя отрицательной обратной связи. Другой способ, с трудом понимаемый вначале, заключается в добавлении резистора между выводом эмиттера транзистора и землей на схеме, как показано на рисунке ниже.

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение, пропорциональное току эмиттера через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход эмиттер-база транзистора. Давайте более подробно рассмотрим переход эмиттер-база и посмотрим, какие изменения вносит этот новый резистор, на рисунке ниже.

Без резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей, на рисунке ниже (a) независимо от уровня входного сигнала (V_вх), проходящего через конденсатор связи и резисторную цепь R₁/R₂/R₃ будет подаваться непосредственно на переход база-эмиттер как входное напряжение транзистора (V_Б-Э). Другими словами, без резистора обратной связи V_Б-Э будет равно V_вх. Поэтому, если V_вх увеличивается на 100 мВ, то V_Б-Э увеличится на 100 мВ: изменение одного из них совпадает с изменением другого, поскольку оба напряжения равны друг другу.

Теперь рассмотрим эффект вставки резистора (R_{обр.связи}) между выводом эмиттера транзистора и землей, как показано на рисунке ниже (b)

Обратите внимание, что сумма напряжения, падающего на R_{обр.связи}, и V_Б-Э равна V_вх. С резистором Rобр.связи в контуре V_вх–V_Б-Э напряжение V_Б-Э больше не будет равно напряжению V_вх. Мы знаем, что R_{обр.связи} снизит напряжение пропорционально току эмиттера, который, в свою очередь, управляется током базы, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база-эмиттера транзистора (V_Б-Э). Таким образом, если V_вх будет увеличиваться в положительном направлении, это увеличит V_Б-Э, вызывая больший ток коллектора (нагрузки), вызывающий больший ток эмиттера, и вызывающий большее напряжение обратной связи, падающее на R_{обр.связи}. Однако, это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи вычитается из V_вх, уменьшая V_Б-Э, поэтому фактическое увеличение V_Б-Э будет меньше, чем увеличение напряжения V_вх. Теперь увеличение V_вх на 100 мВ больше не приведет к увеличению V_Б-Э на эти же 100 мВ, поскольку эти два напряжения не равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение обладает меньшим влиянием на транзистор, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению у усилителя уменьшается: это именно то, чего мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь – это не просто излишество; она необходима для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы собрать и использовать усилитель на транзисторе с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и подавать полную амплитуду V_вх на переход база-эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой коэффициент усиления по напряжению. Однако, к сожалению, связь между напряжением база-эмиттер и током база-эмиттер изменяется с температурой, что можно предугадать, исходя из «диодного уравнения». По мере того, как транзистор нагревается, прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер будет уменьшаться для любого заданного тока. Это создает для нас проблему, поскольку делитель напряжения R₁/R₂ рассчитан для обеспечения соответствующего неизменного тока через базу транзистора, чтобы тот работал в необходимом нам классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса A). Если у транзистора связь напряжение/ток изменяется с температурой, величина постоянного напряжения смещения, необходимого для требуемого класса работы, также изменится. Горячий транзистор будет потреблять больше тока смещения при том же напряжении смещения, что заставляет его нагреваться еще больше, потребляя еще больший ток смещения. В результате, если нет защиты, – тепловой разгон.

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

Обратите внимание, что усилитель с общим коллектором (рисунок выше) имеет резистор нагрузки, расположенный точно в том же месте, что и резистор R_{обр.связи} в последней схеме (рисунок выше (b)): между эмиттером и корпусом. Это означает, что напряжение, прикладываемое к переходу база-эмиттер транзистора, равно только разнице между V_вх и V_вых, что приводит к очень низкому усилению по напряжению (обычно около 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя тепловой разгон невозможен: если ток базы увеличивается из-за нагревания транзистора, ток эмиттера также будет увеличиваться, уменьшая напряжение на нагрузке, которое, в свою очередь, вычитается из V_вх, что уменьшает напряжение, падающее на переходе база-эмиттер. Другими словами, отрицательная обратная связь, создаваемая установкой резистора нагрузки, автоматически решает проблему теплового разгона. В обмен на значительное снижение усиления по напряжению мы получаем превосходную стабильность и защиту от теплового разгона.

Добавляя резистор обратной связи между эмиттером и землей в схему усилителя с общим эмиттером, мы создаем усилитель, который чуть меньше похож на «идеальный» усилитель с общим эмиттером и чуть больше похож на усилитель с общим коллектором. Значение резистора обратной связи обычно выбирается немного меньше сопротивления нагрузки, минимизируя величину обратной связи и сохраняя достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Другим преимуществом отрицательной обратной связи, явно видимым в схеме с общим коллектором, является то, что она стремится сделать усиление по напряжению усилителя менее зависимым 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 другой, который обладает другим коэффициентом β, и не заметить каких-либо значительных изменений в усилении по напряжению. В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от коэффициента β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой, с другим коэффициентом β, коэффициент усиления по напряжению усилителя изменился бы значительно. В усилителе с общим эмиттером, снабженном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему в некоторой степени зависит от β транзистора, но не так сильно, как прежде, делая схему более предсказуемой, несмотря на изменение коэффициента β транзистора.

Тот факт, что мы должны вводить отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является не самым хорошим решением. Возможно ли избежать теплового разгона без необходимости подавлять изначально высокий коэффициент усиления по напряжению усилителя? Лучшее решение этой проблемы станет очевидным, если мы рассмотрим ее более внимательно: усиление по напряжению, которые мы должны уменьшить, чтобы избежать теплового разгона, – это усиление постоянного напряжения, а не переменного. В конце концов, к тепловому разгону транзистор подгоняется не входным сигналом переменного напряжения: транзистору для определенного класса работы требуется постоянное напряжение смещения: этот сигнал постоянного напряжения мы используем, чтобы «заставить» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) усиливать сигнал переменного напряжения. Мы можем подавить усиление по постоянному напряжению без подавления усиления по переменному напряжению, если узнаем способ создания отрицательной обратной связи только по постоянному напряжению. То есть, если мы подадим с выхода на вход только инвертированный сигнал постоянного напряжения без инвертированного сигнала переменного напряжения.

Резистор эмиттера R_{обр.связи} обеспечивает отрицательную обратную связь, создавая падение напряжения, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается путем вставки импеданса в путь протекания тока эмиттера. Если мы хотим подавать обратно постоянное напряжение, а не переменное, нам нужен импеданс, который является высоким для постоянного тока и низким для переменного тока. Какая схема представляет высокий импеданс для постоянного тока и низкий импеданс для переменного тока? Конечно фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи (рисунок ниже), мы сделаем как раз то, что необходимо: путь от эмиттера к земле, который для переменного тока проще, чем для постоянного.

Переменный ток от эмиттера к корпусу «обходит» резистор через новый конденсатор, поэтому не будет происходить никакого значительного падения напряжения между эмиттером и землей, чтобы «подаваться обратно» на вход и подавлять усиление по напряжению. С другой стороны, постоянный ток не может проходить через конденсатор обхода, поэтому он должен проходить через резистор обратной связи, создавая падение постоянного напряжения между эмиттером и землей, которое уменьшает усиление по постоянному напряжению и стабилизирует отклик усилителя на постоянное напряжение, предотвращая тепловой разгон. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (X_C) было как можно ниже, величина C_обхода должна быть относительно большой. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, то для этой задачи безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другим подходом к проблеме снижения усиления по напряжению из-за отрицательной обратной связи является использование не однокаскадных, многокаскадных усилителей. Если ослабленного усиления одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать это снижение. Пример схемы, показывающей отрицательную обратную связь в трехкаскадном усилителе с общим эмиттером, приведен ниже.

Путь обратной связи от конечного выхода к входу осуществляется через один резистор R_{обр.связи}. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (соответственно, инвертирующий), нечетное количество каскадов от входа до выхода инвертирует входной сигнал; обратная связь будет отрицательно (дегенеративной). В этом случае можно использовать относительно большую величину обратной связи, не жертвуя усилением по напряжению, поскольку три каскада усилителя изначально обеспечивают очень большое усиление.

Сначала такой подход к разработке схем может показаться неэлегантным и, возможно, даже контрпродуктивным. Разве это не достаточно грубый способ преодолеть снижение усиления, вызванное использованием отрицательной обратной связи, – восстановление усиления путем простого добавления каскад за каскадом? Какай смысл создавать огромное усиление по напряжению с помощью трех транзисторных каскадов, если мы собираемся их просто ослабить отрицательной обратной связью? Суть, хотя, возможно, и неочевидная поначалу, – это повышение предсказуемости и стабильности схемы в целом. Если три транзисторных каскада спроектированы так, чтобы обеспечить произвольно большое усиление по напряжению (десятки тысяч или более) без отрицательной обратной связи, можно обнаружить, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общее усиление по напряжению становится менее зависимым от коэффициентов усиления отдельных каскадов и приблизительно равным простому отношению R_{обр.связи}/R_вх. Чем больше у схемы коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи), тем ближе коэффициент усиления по напряжению будет соответствовать отношению R_{обр.связи}/R_вх после установки обратной связи. Другими словами, коэффициент усиления по напряжению этой схемы фиксируется значениями двух резисторов, и не более того.

Это является преимуществом для массового производства электронных схем: если усилители с предсказуемых коэффициентом усиления по напряжению могут быть построены с использованием транзисторов со значениями β в широком диапазоне, это облегчает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя слабо меняется при изменении температуры. Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возводится почти до уровня искусства в электронных схемах, называемых операционными усилителями (ОУ). Вы можете прочитеть об этих схемах в главе 8.

Подведем итоги:

• Обратная связь – это соединение выхода усилителя с его входом.
• Положительная (или регенеративная) обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя нестабильной, поскольку она вызывает колебания (переменное напряжение). Частота этих колебаний в значительной степени определяется компонентами схемы обратной связи.
• Отрицательная (или дегенеративная) обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя более стабильной, поскольку его выходной сигнал меньше зависит от входного сигнала, чем без обратной связи. Это уменьшает коэффициент усиления усилителя, но имеет преимущество уменьшения искажений и увеличения полосы пропускания (диапазона частот, в котором 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 корпусом обычно встречается в схемах с общим эмиттером как превентивная мера против теплового разгона.
• Отрицательная обратная связь также обладает преимуществом, заключающемся в том, что коэффициент усиления по напряжению усилителя больше зависит от номиналов резисторов и меньше зависит от характеристик транзистора.
• Усилители с общим коллектором обладают большой отрицательной обратной связью из-за размещения резистора нагрузки между эмиттером и корпусом. Эта обратная связь объясняет чрезвычайно стабильное усиления по напряжению усилителя, а также его устойчивость к тепловому разгону.
• Коэффициент усиления по напряжению схемы с общим эмиттером может быть восстановлен без ущерба устойчивости к тепловому разгону путем подключения конденсатора обхода параллельно эмиттерному резистору обратной связи.
• Если коэффициент усиления по напряжению усилителя произвольно высок (десятки тысяч и более), а отрицательная обратная связь используется для его уменьшения до разумного уровня, можно обнаружить, что коэффициент усиления примерно равен R_{обр.связи}/R_вх. Изменения в значениях β транзистора или других значений компонентов мало влияют на коэффициент усиления по напряжению при действующей обратной связи, что приводит к стабильности и простоте разработки.

Теги