Методические указания к лабораторной работе №10 практикума по радиоэлектронике (стр. 1 из 4)
РЭЛ 10
Обратная связь
Методические указания к лабораторной работе №10
практикума по радиоэлектронике
Новосибирск, 2002
Министерство общего и профессионального образования Российской федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физический факультет
Кафедра радиофизики
Обратная связь
Методические указания к лабораторной работе №10
практикума по радиоэлектронике
Новосибирск, 2002
Лабораторная работа посвящена изучению отрицательной обратной связи в радиоэлектронных схемах методом моделирования на компьютере.
В задачу студента входит исследование влияния обратной связи на параметры электронных схем.
Оборудование. Компьютер IBM PC класса 486 и выше с установленным программным обеспечением.
Составитель: О.М. Грехов
Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета
Оглавление
Введение............................................................................................................................ 4
1. Отрицательные обратные связи в электронных цепях.................................... 4
1.1. Определения, варианты схем, преобразования........................................ 4
2. Местные обратные связи....................................................................................... 13
3. Некоторые применения обратной связи............................................................ 14
3.1. Усилитель с дифференциальным входом................................................. 15
3.2. Нелинейные искажения в усилителях с отрицательной ОС............... 16
3.3. Диодные выпрямители слабых сигналов................................................. 16
Контрольные вопросы................................................................................................ 17
Литература.................................................................................................................... 19
Ó Новосибирский государственный университет, 2002
Выполняя эту работу, Вы овладеете мощным методом создания электронных цепей, обрабатывающих аналоговые электрические сигналы. Как правило, аналоговые цепи должны с высокой точностью и стабильностью выполнять сложные спектральные или нелинейные преобразования сигналов.
Широкое использование методов отрицательной обратной связи позволяет улучшить и стабилизировать параметры активных электронных элементов и модулей, сформировать требуемые условиями задачи частотные характеристики цепей, обеспечить регулирование и управление различными параметрами устройств, осуществить сопряжение различных электронных и электрических устройств и т. д. С другой стороны, функционирование многих электронных устройств невозможно без регенерирующих схем, например, триггеров, генераторов.
Регенерирующие электронные устройства создаются с помощью положительной обратной связи. Последняя может использоваться наряду с отрицательной и для формирования устойчивых цепей, например, частотных фильтров.
Работа выполняется методом моделирования электронных схем и процессов на компьютере с использованием программ LES и NL. Описания этих программ для пользователя оформлены в виде отдельных пособий. Рабочие файлы схем и программ на лабораторных компьютерах помещены в директориях с соответствующими именами. Вы должны во время изучения данного пособия ознакомиться с программами и получить необходимые сведения об их использовании.
1. Отрицательные обратные связи в электронных цепях.
1.1. Определения, варианты схем, преобразования.
Если с выхода активного невзаимного четырёхполюсника, как правило, усилителя, по другой цепи, чаще всего пассивной, сигнал вычитается или складывается с входным, то образуется замкнутый контур, называемый петлёй обратной связи. Активный элемент схемы, усилитель, называют каналом прямой передачи (КПП), а четырёхполюсник, замыкающий контур, цепью обратной связи (ОС). Такой контур при отрицательном значении коэффициента передачи в петле (ООС) принципиально ничем не отличается от цепи автоматического регулирования. Т.е. в усилительной схеме входной сигнал сравнивается с частью выходного. Как цепь КПП, так и цепь ОС могут быть частотно зависимыми, тогда и коэффициент усиления также будет иметь определённую частотную характеристику. При анализе линейных цепей параметры КПП и ОС рассматривают как преобразования Лапласа соответствующих импульсных откликов, т.е. как некоторые функции F º F(p), где p = (s + i×w) – комплексная переменная преобразования; w = 2×p×f , f – частота. При s = 0 функции F отображают соответствующие частотные характеристики.
Как следствие процесса автоматического регулирования линейная цепь ООС линеаризует некоторые нелинейные параметры КПП. Если же цепь ОС нелинейная, то усилитель будет выполнять соответствующие нелинейные преобразования входного сигнала. В этом разделе ограничимся изучением свойств линейных цепей с обратной связью.
На рисунке 1 приведена функциональная схема усилителя с отрицательной обратной связью. Не инвертирующий полярность сигнала усилитель с коэффициентом усиления K0(p) вместе с сумматором образуют КПП. Цепь ОС FB подключена к выходу усилителя параллельно нагрузке Rl , на выходе этой цепи создаётся напряжение ОС Ub = b×Uout, где b – коэффициент ОС. Петля ОС замыкается на входном сумматоре S.
Направление прохождения сигнала в петле ОС обозначено стрелками. Совершенно очевидно уравнение: K0×(Us+Ub) = Uout. Тогда K1, коэффициент усиления цепи с замкнутой ОС, определяется следующим образом:
K1 = Uout/Us = K0/(1 – K0×b). (1)
Входящее в формулу (1) произведение Сk = K0×b обычно называют «петлевым усилением». Если в реальной цепи петлю ОС разомкнуть перед сумматором, то величину Ck можно измерить на выходе цепи FB. Конечно, при этом необходимо соблюдать условие эквивалентности цепей. Размыкается только соединение входа усилителя и цепи ОС. Передаточные функции КПП и цепи ОС не должны изменяться (правило 1).
Знак Сk, как знак ОС, равен алгебраическому знаку операций в цепях КПП и ОС. На рисунке 1 ОС отрицательна, т.к. полярность инвертируется только в цепи FB.
Формула (1) уже позволяет сделать некоторые важные выводы о свойствах цепей с ОС. Сделаем несколько замечаний для случая положительной ОС. Легко заметить, что при Ck® 1 K1® ¥, возникают регенеративные процессы, и цепь становится неустойчивой. В зависимости от свойств цепей КПП и ОС, а также от вида входного воздействия Us возможны различного вида автоколебания или релаксационные (триггерные) переходы в устойчивые нелинейные состояния. Многообразие этих процессов безмерно, исследования их чрезвычайно интересно, но это, к сожалению, выходит за рамки текущей задачи. Если ½Ck½< 1, то цепь устойчива, и, как правило, ½K1½>½K0½. При этом возможна реализация полезных эффектов, например, колебательных систем с использованием только RC-элементов, высокодобротных частотно-избирательных фильтров и др. Следует отметить, что нестабильность K0 в схемах с положительной ОС увеличивается, что может привести к неустойчивости таких устройств. Усилители должны иметь заданные амплитудные и фазо-частотные характеристики. Эта проблема успешно разрешается применением ООС в усилителях с достаточно большим ½K0½. Действительно, пусть b = ‑b, а усилитель имеет свойство цепи первого порядка и коэффициент усиления А0, т.е. K0 = A0/(1 + iw/W), где А0 , W и b – вещественные положительные величины, W – частота среза по уровню –3 дБ. Тогда из формулы (1) следует: K1 = (A0/(1+A0×b)) × (1 + iw/W1)‑1, W1 = W×(1+А0×b). Если петлевое усиление Ck(0) = A0×b >> 1, то K1@1/b при w < W1. Таким образом, стабильность усиления обеспечивается пассивными элементами цепи ОС, а полоса частот существенно расширяется. Естественно, повышение качества параметров усилителя достигается за счёт проигрыша в величине модуля коэффициента усиления.
Цепи КПП и ОС могут быть соединены последовательно или параллельно как по входу, так и по выходу. Сочетания соединений показаны на рисунке 2. На каждой из четырёх схем изображены два четырёхполюсника: усилитель с коэффициентом усиления K(p) и цепь обратной связи, передающая с выхода на вход сигналы Ub или Ib. Все усилители—идеальные генераторы напряжения, управляемые напряжением Uin. Uin – разность потенциалов на In+ и In- входах усилителя: Uin = U+ - U-. Выходное напряжение Uout = K(p)×Uin следует рассматривать как зависимый источник. Элементы Ri или Yi – входное сопротивление или проводимость, Rout – выходное сопротивление, являются компонентами модели реального операционного усилителя (ОУ), образующего КПП. Присутствующая во всех схемах ОС отрицательна (ООС), так как петля ОС замыкается на инвертирующем входе ОУ.
Us, Js – входной источник напряжения или тока соответственно , Rl – сопротивление нагрузки, остальное – элементы цепи ОС. Величины U2 и I2 – напряжение и ток на выходе ОУ.
На схемах (a) и (с) цепь ОС подключена ко входу КПП последовательно, а на схемах (b) и (d) – параллельно. Они так и называются: последовательная и параллельная обратная связь. Вход цепей ОС в схемах (a) и (b) подключен параллельно нагрузке и выходу КПП, т.е. здесь присутствует обратная связь по напряжению. В схемах же (c) и (d) цепи ОС своими входами включены последовательно с КПП и нагрузкой, т.е. ОС осуществляет автоматическую регулировку тока в нагрузке и называется обратной связью по току.