какая обратная связь используется в электронных генераторах

Обратные связи в генераторах

При создании устройств контроля, измерения, автоматиза­ции зачастую используют генераторы с емкостной, индуктивной, оптической, акустической или биологической обратной связью.

Генератор с оптической обратной связью (рис. 10.1) на­чинает генерировать колебания при наличии оптической обрат­ной связи между излучателем света (светодиод HL1) и фотоприемником — датчиком света (фотодиод VD1 или заменяю­щий его фоточувствительный элемент, например, фоторезистор) [Р 7/93-27]. Если ослабить глубину оптической обратной связи, поставив на пути между излучателем и приемником света полу­прозрачный экран, либо удалить приемник от излучателя, устрой­ство чутко отреагирует на это: частота генерации изменится, а то и вовсе прекратится. Такие устройства могут быть использованы для контроля расстояний, подсчете изделий на конвейере, для ин­дикации обрыва ленты магнитофона, в помощь слепым.

Рис. 10.7. Генератор сигналов — пробник

На транзисторе VT1, фазосдвигающих RC-цепочках С1 — СЗ и R1 — R3 и телефонном капсюле BF1 выполнен генератор гармонических сигналов, приближающихся по форме к синусои­дальным. Сигнал с частотой 1,3… 1,5 кГц и амплитудой 1,9 В снимается с НЧ выхода генератора. Дополнительным элементом фазосдвигающей цепочки генератора является светодиод HL1. При подключении параллельно ему неизвестного сопротивления R_x (движок потенциометра R4 в крайнем правом положении),

частота генерации меняется. При R_x 20 кОм). Падение напря­жения на контролируемом резисторе не превышает 1,8…2,0 В. Переключатель SA1 размыкает цепь положительной обратной связи и переводит устройство в режим УНЧ. На НЧ вход подают сигнал с внешнего генератора либо с контролируемого радио­электронного устройства.

В эмиттерную цепь транзистора VT1 включен светодиод HL2. Светодиод обеспечивает смещение на ВЧ генераторе (тран­зисторы VT2, VT3) и одновременно является источником моду­лированного оптического излучения. На транзисторах VT2, VT3 выполнен ВЧ генератор, частоту которого определяет LC-контур (и емкостные компоненты транзисторов, в него входящие). Управ­ление частотой генератора производится с помощью потенцио­метра R4, модуляция — от НЧ генератора (транзистор VT1). ВЧ генератор способен работать в диапазоне частот от единиц кГц : до сотни МГц. Амплитуда ВЧ сигнала (на частоте сотен кГц) со­ставляет 0,5…0,7 8; на частотах около 100 МГц — 50 мВ.

ВЧ генератор работает на частоте 360 кГц, а светодиод HL2 светится при следующих параметрах элементов схемы: L=260 мкГн (от УПЧ радиоприемника ВЭФ-12, 201, 202), С=120 пФ и R4=4,7 кОм. Частота генерации понижается до 160 кГц при плавном уменьшении R4 до погасания светодио- да HL2. Гашение светодиода HL2 является «критической» точ­кой: после этого частота генерации скачкообразно снижается до 90 кГц и затем почти не изменяется. В «критической» точ­ке светодиод HL2 гаснет, а НЧ-генерация прекращается. Во­зобновление НЧ генерации происходит при последующем уменьшении сопротивления R4.

С помощью потенциометра R4 можно управлять частотой генерации БЧ-генератора в пределах от 360 до 160 кГц. Генера­тор потребляет ток до 10 мА и не боится коротких замыканий по входам и выходам.

Генераторы световых импульсов (рис. 10.8, 10.9) выпол­нены на аналогах лавинных и инжекционно-полевых транзисторов и используются для систем охранной сигнализации [Ра 5/00-29].

I lii рис. 10.8 показана схема генератора световых импульсов на составном лавинном транзисторе VT1, VT2. Частота следования импульсов определяется постоянной времени R1x(C1+C2); дли- н’пьность импульсов — R2x(C1+C2). Максимальный ток через ( нотоизлучающий диод HL1 определяется выражением:

и_пит — напряжение питания;

U_HL1 — падение напряжения на светоизлучающем диоде; U_3KVT2 — падение напряжения эмиттер — коллектор для фанзистора VT2 при токе 1_МДХ, соответственно.

Рис. 10.8. Генератор световых импульсов

На рис. 10.9 показана схема генератора световых импуль­сов, выполненная на аналоге инжекционно-полевого транзистора (VT1, VT2). В отличие от устройства на рис. 10.8 генератор может работать при пониженных напряжениях: верхняя граница напря­жения питания ограничена напряжением пробоя полевого транзи­стора (10…12 В), нижняя — значениями U_HL1 и U_3KVT2 (>3 В).

В схеме (рис. 10.8) вместо транзистора микросхемы К101КТ1А может быть использован дискретный аналог лавинного транзистора, либо р-л-р транзистор аналогичной микросхемы К162КТ1, также включенный инверсно (см., например, главу 2). Для работы схем (рис. 10.8, 10.9) в ждущем режиме охранный шлейф может быть подключен параллельно конденсатору С2, шунтируя его. Генерации при этом нет. При обрыве шлейфа гене­ратор начинает работать. Ток потребления устройства до 10 мкА (рис. 10.8) и до 100 мкА (рис. 10.9).

Источник

Какая обратная связь используется в генераторах

Обратные связи в генераторах

При создании устройств контроля, измерения, автоматиза­ции зачастую используют генераторы с емкостной, индуктивной, оптической, акустической или биологической обратной связью.

Генератор с оптической обратной связью (рис. 10.1) на­чинает генерировать колебания при наличии оптической обрат­ной связи между излучателем света (светодиод HL1) и фотоприемником — датчиком света (фотодиод VD1 или заменяю­щий его фоточувствительный элемент, например, фоторезистор) [Р 7/93-27]. Если ослабить глубину оптической обратной связи, поставив на пути между излучателем и приемником света полу­прозрачный экран, либо удалить приемник от излучателя, устрой­ство чутко отреагирует на это: частота генерации изменится, а то и вовсе прекратится. Такие устройства могут быть использованы для контроля расстояний, подсчете изделий на конвейере, для ин­дикации обрыва ленты магнитофона, в помощь слепым.

Рис. 10.7. Генератор сигналов — пробник

На транзисторе VT1, фазосдвигающих RC-цепочках С1 — СЗ и R1 — R3 и телефонном капсюле BF1 выполнен генератор гармонических сигналов, приближающихся по форме к синусои­дальным. Сигнал с частотой 1,3… 1,5 кГц и амплитудой 1,9 В снимается с НЧ выхода генератора. Дополнительным элементом фазосдвигающей цепочки генератора является светодиод HL1. При подключении параллельно ему неизвестного сопротивления R_x (движок потенциометра R4 в крайнем правом положении),

частота генерации меняется. При R_x 20 кОм). Падение напря­жения на контролируемом резисторе не превышает 1,8…2,0 В. Переключатель SA1 размыкает цепь положительной обратной связи и переводит устройство в режим УНЧ. На НЧ вход подают сигнал с внешнего генератора либо с контролируемого радио­электронного устройства.

В эмиттерную цепь транзистора VT1 включен светодиод HL2. Светодиод обеспечивает смещение на ВЧ генераторе (тран­зисторы VT2, VT3) и одновременно является источником моду­лированного оптического излучения. На транзисторах VT2, VT3 выполнен ВЧ генератор, частоту которого определяет LC-контур (и емкостные компоненты транзисторов, в него входящие). Управ­ление частотой генератора производится с помощью потенцио­метра R4, модуляция — от НЧ генератора (транзистор VT1). ВЧ генератор способен работать в диапазоне частот от единиц кГц : до сотни МГц. Амплитуда ВЧ сигнала (на частоте сотен кГц) со­ставляет 0,5…0,7 8; на частотах около 100 МГц — 50 мВ.

ВЧ генератор работает на частоте 360 кГц, а светодиод HL2 светится при следующих параметрах элементов схемы: L=260 мкГн (от УПЧ радиоприемника ВЭФ-12, 201, 202), С=120 пФ и R4=4,7 кОм. Частота генерации понижается до 160 кГц при плавном уменьшении R4 до погасания светодио- да HL2. Гашение светодиода HL2 является «критической» точ­кой: после этого частота генерации скачкообразно снижается до 90 кГц и затем почти не изменяется. В «критической» точ­ке светодиод HL2 гаснет, а НЧ-генерация прекращается. Во­зобновление НЧ генерации происходит при последующем уменьшении сопротивления R4.

С помощью потенциометра R4 можно управлять частотой генерации БЧ-генератора в пределах от 360 до 160 кГц. Генера­тор потребляет ток до 10 мА и не боится коротких замыканий по входам и выходам.

Генераторы световых импульсов (рис. 10.8, 10.9) выпол­нены на аналогах лавинных и инжекционно-полевых транзисторов и используются для систем охранной сигнализации [Ра 5/00-29].

I lii рис. 10.8 показана схема генератора световых импульсов на составном лавинном транзисторе VT1, VT2. Частота следования импульсов определяется постоянной времени R1x(C1+C2); дли- н’пьность импульсов — R2x(C1+C2). Максимальный ток через ( нотоизлучающий диод HL1 определяется выражением:

U_HL1 — падение напряжения на светоизлучающем диоде; U_3KVT2 — падение напряжения эмиттер — коллектор для фанзистора VT2 при токе 1_МДХ, соответственно.

Рис. 10.8. Генератор световых импульсов

На рис. 10.9 показана схема генератора световых импуль­сов, выполненная на аналоге инжекционно-полевого транзистора (VT1, VT2). В отличие от устройства на рис. 10.8 генератор может работать при пониженных напряжениях: верхняя граница напря­жения питания ограничена напряжением пробоя полевого транзи­стора (10…12 В), нижняя — значениями U_HL1 и U_3KVT2 (>3 В).

В схеме (рис. 10.8) вместо транзистора микросхемы К101КТ1А может быть использован дискретный аналог лавинного транзистора, либо р-л-р транзистор аналогичной микросхемы К162КТ1, также включенный инверсно (см., например, главу 2). Для работы схем (рис. 10.8, 10.9) в ждущем режиме охранный шлейф может быть подключен параллельно конденсатору С2, шунтируя его. Генерации при этом нет. При обрыве шлейфа гене­ратор начинает работать. Ток потребления устройства до 10 мкА (рис. 10.8) и до 100 мкА (рис. 10.9).

Тема 13. Обратные связи в усилителях и генераторах

Обратную связь в усилителях используется для повышения стабильности величины усиления, изменения входного и выходного сопротивления, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров В общем случае обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь передачи сигнала ОС называется цепью обратной связи. ОС может охватывать как одиночные каскады ( местная обратная связь ) так и несколько каскадов усиления.

Рис.13.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

Упрощенная структурная схема усилителя с обратной связью показана на рис. 4.1., на котором изображены четырехполюсники усилителя и цепи обратной связи. Коэффициент усиления , коэффициент передачи цепи ОС , – напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. и являются комплексными величинами в широкополосных или высокочастотных усилителях, в диапазоне средних частот их можно считать вещественными. Если , вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырехполюсник.

При положительной обратной связи напряжение совпадает по фазе со входным напряжением , что приводит к сложению сигналов в точке

По способу получения сигнала обратные связи бывают:

Рис 13.2 Структурная схема усилителя с цепью обратной связи а) по напряжению, б) по току.

По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратные связи бывают:

– параллельной (рис. 13.2,б) – напряжение ОС поступает во входную цепь параллельно с напряжением источника входного сигнала;

Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току; если же оно стремится к нулю, то осуществляется обратная связь по напряжению

Определим соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя , охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, которое является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью.

Коэффициент обратной связи Кос можно записать в общем случае, как

(13.1)

где Uвх — алгебраическое суммарное напряжение входного сигнала и напряжение ОС

(13.2)

Uвых—напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью,

(13.3)

. (13.4)

– характеризует усиление и характер петли обратной связи. ( ) — глубина обратной связи.

В общем случае и , тогда

. (13.5)

В этих выражениях j_к и j_b показывают фазовые сдвиги напряжения сигнала для усилителя и цепи обратной связи. Если , тогда коэффициент обратной связи является вещественным .

. (13.6) Можно увидеть, что коэффициент усиления усилителя уменьшается в 1+bК раз. Этот случай соответствует отрицательной обратной связью, при которой сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе со входным сигналом.

ООС называется глубокой отрицательной обратной связью, если . В этом случае . (13.7)

Если , то величина bК вещественная и положительная, то есть сигнал обратной связи совпадает по фазе со входным сигналом. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в 1 – bК раз.

(13.8)

При в усилителе возникает условия для самовозбуждения усилителя, охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашел применение в генераторах напряжения.

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется, как

,

. (13.9)

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в (1+bК) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления без ООС, что в общем случае справедливо для любой системы автоматического регулирования с замкнутой петлей ООС. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления усилителя К изменяется напряжение обратной связи , приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препятствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента усиления усилителя при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала (рис. 4.4), при этом полоса пропускания усилителя Df расширяется.

Рис.13.4. Влияние отрицательной обратной связи на АЧХ

Независимо от вида, отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:

1. Уменьшение коэффициента усиления.

2. Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов.

3. Уменьшение уровня нелинейных искажений.

4. Расширение полосы пропускания.

Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.

Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.

Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в усилителях могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие его работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:

– паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания;

– емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

– магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи ( ) усилитель самовозбуждается, т.е. в усилителе возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RС–фильтры. В некоторых случаях первые каскады усилителя даже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают емкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом и требуют большого практического опыта.

Источник

Тема 13. Обратные связи в усилителях и генераторах

Обратную связь в усилителях используется для повышения стабильности величины усиления, изменения входного и выходного сопротивления, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров В общем случае обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь передачи сигнала ОС называется цепью обратной связи. ОС может охватывать как одиночные каскады ( местная обратная связь ) так и несколько каскадов усиления.

Рис.13.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

Упрощенная структурная схема усилителя с обратной связью показана на рис. 4.1., на котором изображены четырехполюсники усилителя и цепи обратной связи. Коэффициент усиления , коэффициент передачи цепи ОС , – напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. и являются комплексными величинами в широкополосных или высокочастотных усилителях, в диапазоне средних частот их можно считать вещественными. Если , вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырехполюсник.

При положительной обратной связи напряжение совпадает по фазе со входным напряжением , что приводит к сложению сигналов в точке

По способу получения сигнала обратные связи бывают:

Рис 13.2 Структурная схема усилителя с цепью обратной связи а) по напряжению, б) по току.

По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратные связи бывают:

– параллельной (рис. 13.2,б) – напряжение ОС поступает во входную цепь параллельно с напряжением источника входного сигнала;

Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току; если же оно стремится к нулю, то осуществляется обратная связь по напряжению

Определим соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя , охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, которое является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью.

Коэффициент обратной связи Кос можно записать в общем случае, как

(13.1)

(13.2)

Uвых—напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью,

(13.3)

. (13.4)

В общем случае и , тогда

. (13.5)

В этих выражениях j_к и j_b показывают фазовые сдвиги напряжения сигнала для усилителя и цепи обратной связи. Если , тогда коэффициент обратной связи является вещественным .

. (13.6) Можно увидеть, что коэффициент усиления усилителя уменьшается в 1+bК раз. Этот случай соответствует отрицательной обратной связью, при которой сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе со входным сигналом.

ООС называется глубокой отрицательной обратной связью, если . В этом случае . (13.7)

Если , то величина bК вещественная и положительная, то есть сигнал обратной связи совпадает по фазе со входным сигналом. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в 1 – bК раз.

(13.8)

При в усилителе возникает условия для самовозбуждения усилителя, охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашел применение в генераторах напряжения.

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется, как

,

. (13.9)

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в (1+bК) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления без ООС, что в общем случае справедливо для любой системы автоматического регулирования с замкнутой петлей ООС. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления усилителя К изменяется напряжение обратной связи , приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препятствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента усиления усилителя при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала (рис. 4.4), при этом полоса пропускания усилителя Df расширяется.

Рис.13.4. Влияние отрицательной обратной связи на АЧХ

Независимо от вида, отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:

1. Уменьшение коэффициента усиления.

2. Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов.

3. Уменьшение уровня нелинейных искажений.

4. Расширение полосы пропускания.

Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.

Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.

Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в усилителях могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие его работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:

– паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания;

– емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

– магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи ( ) усилитель самовозбуждается, т.е. в усилителе возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RС–фильтры. В некоторых случаях первые каскады усилителя даже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают емкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом и требуют большого практического опыта.

Источник