Расширение полосы рабочих частот в малосигнальном режиме с помощью обратной связи

Рис. 4.6. Расширение полосы рабочих частот в малосигнальном режиме с помощью обратной связи

Очень важное свойство такой стабилизации состоит в том, что для усилителей с частотно-зависимым коэффициентом усиления полоса частот усиления слабых сигналов расширяется пропорционально коэффициенту V = К./ (петлевое усиление, рис. 4.6).

Устойчивость усилителей с отрицательной обратной связью

Большое значение для устройств с ООС имеет их устойчивость, т. е. способность предотвращения самовозбуждения. Самовозбуждение в схеме колебаний с частотой са₀ возможно лишь в том случае, когда знаменатель в уравнении

для реальных частот со или f становится равным 0:

Если усилитель и цепь ОС устойчивы каждый в отдельности, то условие устойчивости системы характеризует так называемый «критерий Найквиста» (частотный критерий устойчивости), который гласит: усилитель с ОС устойчив, если годограф ?^())у((0) не охватывает точку — 1. Примеры графической трактовки критерия Найквиста показаны на рис. 4.7.

Для схем с монотонно нарастающим по частоте сдвигом фаз достаточной является проверка запаса по фазе (а > 0) из выражения

(значения а < 90° приводят к нарастанию выбросов).

Здесь f₀ - критическая частота, при которой |Ку|= 1; (р_к ( f₍₎) -

угол сдвига фаз усилителя; (р_ос{ f₀) - угол сдвига фаз цепи ОС.

Проверку можно провести, например, с помощью диаграммы Боде (рис. 4.8).

Для систем без фазовых фильтров, содержащих пассивные цепи обратной связи с |у| < 1? условие устойчивости по диаграмме Боде приближенно состоит в том, что крутизна прямых |к| и N в точке пересечения должна отличаться от 12 дБ/окт (40 дБ/дек) (см. рис. 4.8). Это условие справедливо и для низких частот (связь по переменному напряжению), и для высоких частот (например, влияние емкостей рассеяния).

Рис. 4.7. Примеры определения критерия устойчивости Найквиста. Годографы для устойчивого режима (а), условно-устойчивых режимов (б и в), неустойчивого режима (г)

Усилитель с доминирующим полюсом и резистивной цепью обратной связи абсолютно устойчив. Устойчивы также двухполюсные усилители с чисто резистивной обратной связью.

На практике же могут возникнуть дополнительные паразитные повороты фазы, что может привести к самовозбуждению системы. Усилители с несколькими (больше 2) полюсами абсолютной устойчивостью не обладают (потенциально неустойчивы). Поскольку каждый каскад усиления в принципе имеет один полюс, цепь ОС должна охватывать не больше 2 каскадов. Кроме того, путем выбора низкой граничной частоты можно обеспечить такое усиление холостого хода, при котором условие N < 1 выполняется раньше, чем поворот фазы достигнет 180° (однополюсная компенсация). Поскольку фазовые фильтрующие звенья создают дополнительные повороты фаз, целесообразно такие звенья в цепях ОС и в усилителях по возможности не использовать.

Рис. 4.8. Типичная диаграмма Боде коэффициента усиления в режиме холостого хода