Wzmacniacze sprzężenie zwrotne Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego
Sprzężenie zwrotne Sprzężenie zwrotne, czyli zjawisko polegające na oddziaływaniu skutku zjawiska na jego przyczynę, jest spotykane często w naturze... W technice (zwłaszcza elektronice) stosuje się je bardzo często w celu uzyskania określonych parametrów i właściwości urządzeń.
Sprzężenie zwrotne Rozróżnia się dodatnie i ujemne sprzężenie zwrotne, w zależności od tego czy skutek działa na przyczynę, wzmacniająco czy osłabiająco W układzie ze sprzężeniem zwrotnym możemy wyróżnić tor główny sygnału i tor sprzężenia zwrotnego.
Sposób pobierania sygnału sprzężenia zwrotnego może być równoległy (wtedy wielkością wejściową toru sprzężenie jest napięcie wyjściowe).
Sposób pobierania sygnału sprzężenia zwrotnego może być też szeregowy (wielkością wejściową toru sprzężenia jest prąd wyjściowy).
Sposób mieszania sygnału na wejściu może być szeregowy (na wejściu dodawane lub odejmowane są napięcia).
Sposób mieszania sygnału na wejściu może być też równoległy (dodawane lub odejmowane są prądy).
Otrzymujemy cztery możliwości:
Rozważymy na przykład wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym szeregowym napięciowym (założymy przy tym, że bloki się nie obciążają i są unilateralne). wzmocnienie członu wzmacniającego: ku=u2 / U1' współczynnik sprzężenia zwrotnego: β = Uz / U 2
wzmocnienie napięciowe układu z napięciowym szeregowym sprzężeniem zwrotnym: U2 U2 U 2 /U 1 ' ku K u= = = = U 1 U 1 ' U z 1 U z / U 1 ' 1 β k u
Wzmocnienie układu ze sprzężeniem zwrotnym ku K u= 1 k u
Wzmocnienie układu ze sprzężeniem zwrotnym ku K u= 1 k u kuβ < 0; ujemne sprzężenie zwrotne, zmniejszenie wzmocnienia, 0 < kuβ < 1; dodatnie sprzężenie zwrotne, zwiększenie wzmocnienia, kuβ > 1; dodatnie sprzężenie zwrotne, wzbudzenie układu, generatory. W ogólnym przypadku ku oraz β to wartości zespolone. Sprzężenie zwrotne ujemne w jednym zakresie częstotliwości może stać się dodatnie w innym.
Ujemne sprzężenie zwrotne ku K u= 1 k u Przyjmijmy, że sprzężenie zwrotne jest ujemne i silne, czyli kuβ << 0. Wtedy Ku = 1/β. Właściwości układu z silnym sprzężeniem zwrotnym są określone przez człon sprzężenia zwrotnego, który łatwo zbudować ze stabilnych elementów biernych. Dobierając odpowiedni człon sprzężenia zwrotnego można kształtować charakterystykę częstotliwościową układu.
impedancja wejściowa układu ze sprzężeniem zwrotnym (przykład: sprzężenie szeregowe) U 1 U 1 ' U z Z sz = = =Z we 1 k u I we I we Sprzężenie szeregowe ujemne spowoduje wzrost impedancji wejściowej, a dodatnie jej spadek. W podobny sposób możemy policzyć impedancje wejściowe i wyjściowe wszystkich układów sprzężenia zwrotnego.
Ujemne sprzężenie zwrotne
Pasmo przenoszenia wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym Przeanalizujemy pasmo przenoszenia wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Przyjmijmy, że wzmacniacz bez sprzężenia ma określoną górną częstość graniczną ωg, a człon sprzężenia zwrotnego nie zależy od częstotliwości. k 0 ku= 1 j g = 0
Ponieważ wzmocnienie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym dane jest przez otrzymujemy ku K u= 1 k u k 0 1 j g k0 k 0f K u= = = k 0 0 1 k j 1 j 1 0 0 g gf 1 j g gdzie współczynnik wzmocnienia i częstotliwość graniczną układu ze sprzężeniem zwrotnym można wyrazić jako k0 k 0f = gf = g 1 k 0 0 1 k 0 0
Pasmo przenoszenia wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym k0 k 0f = 1 k 0 0 gf = g 1 k 0 0
Pasmo przenoszenia wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym k0 k 0f = 1 k 0 0 gf = g 1 k 0 0 Osiągnęliśmy zatem poszerzenia pasma przenoszenia o czynnik około k0β0 Jednocześnie o ten sam czynnik maleje wzmocnienie wzmacniacza Zauważmy, że wielkość k0fωgf = k0ωg = GBW jest wielkością stałą, niezależną od sprzężenia zwrotnego. Sytuacja się skomplikuje, gdy charakterystyka przenoszenia wzmacniacza jest bardziej skomplikowana (na przykład we wzmacniaczu wielostopniowym).
Ujemne sprzężenie zwrotne Możemy osiągnąć: Zmniejszenie wrażliwości wzmacniacza na rozrzut parametrów elementów aktywnych. Zmniejszenie zniekształceń nieliniowych, zakłóceń i szumów powstających wewnątrz wzmacniacza. Poszerzenie pasma przenoszenia wzmacniacza. Możliwość regulowania charakterystyki częstotliwościowej układu. Możliwość regulowania impedancji wejściowej i wyjściowej
Ujemne sprzężenie zwrotne Kosztem: Zmniejszenia wzmocnienia układu. Możliwości pogorszenia stabilności i wystąpienia wzbudzeń w szczególności gdy wzmacniacz ma niekorzystną charakterystykę fazową na przykład jest wielostopniowy.
Dodatnie sprzężenie zwrotne Stosowane w układach generacyjnych. We wzmacniaczach stosowane dosyć rzadko, często jednocześnie ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym.