Для чего нужна обратная связь в электронике

8

Обратная связь в усилителях

Обратная связь — это связь между электрическими цепями, при которой часть энергии выходного сигнала передается на вход (то есть из цепи с высоким уровнем сигнала в цепи с более низким).

Обратная связь оказывает заметное воздействие на характеристики и свойства усилителя. Данную связь вводят в схему усилителя с целью изменение ее свойств в необходимом направлении — внешняя обратная связь. Иногда обратная связь может возникнуть самопроизвольно. Например, причиной этого может быть физические особенности усилительного элемента — внутренняя обратная связь. Паразитная обратная связь появляется из-за паразитных связей (индуктивных, емкостных и т.п.).

Усилитель — это устройство, которое предназначено для усиления интенсивности (мощности) сигнала, без изменения его вида.

Часть схемы усилителя и обратная связь при соединении между собой образуют замкнутый контур, который называется петлей обратной связи. Пример схемы такой связи изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Петля обратной связи. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

K – коэффициент усиления усилителя; В — коэффициент передачи цепи обратной связи.

При конструировании и проектировании принимают ряд мер, направленных на ликвидацию или ослабление паразитной обратной связи. К основным способам относятся:

1. Организация параллельной обратной связи по выходу (обратная связь по напряжению). Данный способ подразумевает снятие энергии сигнала с выхода схемы параллельно нагрузке.
2. Организация последовательной обратной связи по выходу. (обратная связь по току). Данный способ подразумевает снятие энергии сигнала с выход схемы последовательно нагрузке. В этом случае напряжение обратной связи прямо пропорционально выходному току.
3. Организация комбинированной обратной связи. Данный способ подразумевает использование комбинации последовательной и параллельной обратных связей. Такой способ в основном используется в многоканальных телекоммуникационных системах.

По количеству петель различают многопетлевые и однопетлевые обратные связи. Если в петле обратной связи, которая охватывает весь усилитель, присутствуют петли, охватывающие отдельные части и каскады усилителя, то данные цепи называются местными петлями обратной связи. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей изображены на рисунке ниже.

Рисунок 2. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 3. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Влияние обратной связи на коэффициент усиления по напряжению и нестабильность усиления

Для оценки и анализа воздействия обратной связи на коэффициент усиления по напряжению будет рассмотрен последовательный способ введения сигнала, изображенный на рисунке ниже.

Рисунок 4. Последовательный способ введения сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для начала предполагается, что входное сопротивление (Zвх) бесконечно велико, поэтому:

Uвх. ист — Uвх. ос + Uсв = 0

Uвх. ист — сигнал источника; Uвх. ос — результирующий сигнал на входе усилителя; Ucв — выходное напряжение.

Таким образом результирующий сигнал на входе усилителя можно рассчитать по следующей формуле:

Uвх. ос = Uвх. ист + Ucв.

Выходное напряжение усилителя вычисляется по формуле:

Uвых. ос = К • Uвх. ос,

где, К — коэффициент усиления по напряжению.

Из данного уравнения понятно, что коэффициент усиления не изменяется, однако, по отношению к сигналу источника видоизменяется:

Uвых. ос = Кос • Uвх. ист.

Так как левые части двух выше представленных уравнений равны, то можно записать:

К / Кос. = Uвх. Ист / Uвх. ос. = F

где, F — возвратная разность.

И становится понятно, что коэффициент усиления по напряжению изменяется пропорционально изменению входного сигнала. Учитывая, что:

Uвх. Ист = Uвх. ос – Uсв. и К /Кос. = Uвх. ист. / Uвх.ос. = F

F = (Uвх.ос. – Ucв.) / Uвх.ос. = 1 — (Uсв. / Uвх.ос.) =1 + Т

где Т — возвратное отношение.

Возвратное отношение является комплексной величиной, которая равна (после преобразования предыдущего уравнения):

Т = -(Uсв. / Uвых.ос.) • (Uвых.ос. / Uвх.ос. = -В • К

где В — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Модуль возвратного отношения характеризует изменение сигнала при прохождении им цепи обратной связи. Если возвратная разность больше единицы, то цепь называют отрицательной, а если меньше — положительной. Если цепь обратной связи отрицательная, то коэффициент усилителя с обратной связью будет уменьшаться:

Kос. = К /|F|= К / (1 + В • К)

Если цепь обратной связи положительная, то коэффициент усиления усилителя будет расти:

Кос. = К / |F|= К / (1 – В • К)

В групповых усилителях используется комбинированная глубокая отрицательная обратная связь (возвратная разность намного больше единицы), в таком случае коэффициент усиления усилителя будет равен:

Кос. = К / (1 + В • К) = 1 / В

Заметное влияние на коэффициент усиления оказывают дестабилизирующие факторы, к которым относятся:

1. Изменение влажности.
2. Старение усилительных элементов.
3. Изменение температуры.
4. Старение деталей схемы.

Количественное изменение коэффициента усиления из-за воздействия дестабилизирующих факторов характеризуют величину без обратной связи:

где, dK – дифференциал коэффициента усиления усилителя.

Нестабильность с обратной связью вычисляется по формуле:

dqсв = dKсв / Ксв

Подставляя в формулу для расчета коэффициент усиления при отрицательной обратной связи и продифференцировав его, получаем:

Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом, ясно, что отрицательная обратная связь стабилизирует усиление усилителя, снижая его нестабильность.

Что такое обратная связь в электронике и автоматике

Обратная связь — воздействие выходной величины какой-либо системы С (рис. 1) на вход этой же системы. В более широком смысле обратная связь — воздействие результатов функционирования некоторой системы на характер этого функционирования.

На функционирующую систему, кроме выходной величины, могут действовать также внешние воздействия (х на рис. 1). Цепь AB, по которой передается обратная связь, называется цепью, линией или каналом обратной связи.

Канал может сам содержать какую-либо систему (Д, рис. 2), преобразующую выходную величину в процессе ее передачи. В этом случае говорят, что обратная связь с выхода системы на ее вход осуществляется с помощью или через посредство системы Д.

Обратная связь является одним из важнейших понятий электроники и теории автоматического управления. Конкретные примеры реализации систем, содержащих обратные связи, можно обнаружить при изучении самых разнообразных процессов в автоматических системах, живых организмах, экономических структурах и т. п.

В силу универсальности понятия применимого в различных областях науки и техники, терминология в этой области не установилась, и в каждой частной области знаний, как правило, используется своя терминология.

Так, например, в системах автоматического регулирования широко применяются понятия отрицательной и положительной обратной связи, которыми определяется связь выхода системы с ее входом через усилительное звено с соответственно отрицательным или положительным коэффициентом усиления.

В теории электронных усилителей смысл этих терминов иной: отрицательной называется обратная связь, уменьшающая абсолютную величину общего коэффициента усиления, а положительной — увеличивающая ее.

В зависимости от способов реализации в теории электронных усилителей выделяют обратные связи по току, по напряжению и комбинированную.

В системы автоматического регулирования часто вводят дополнительные обратные связи, используемые для стабилизации систем или улучшения переходных процессов в них. Они иногда называются корректирующими и среди них выделяют жесткую (осуществляемую с помощью усилительного звена), гибкую (реализуемую дифференцирующим звеном), изодромную и т. п.

В различных системах можно всегда обнаружить замкнутую цепь воздействий. Например, на рис. 2 часть С системы действует на часть Д, а последняя снова на С. Поэтому такие системы называют также системами с замкнутой цепью воздействий, системами с замкнутым циклом или замкнутым контуром.

В сложных системах может существовать множество различных цепей обратных связей. В многоэлементной системе выход каждого элемента может, вообще говоря, воздействовать на входы всех остальных элементов, включая свой собственный вход.

Любое воздействие можно рассматривать с трех основных сторон: метаболической, энергетической и информационной. Первая связана с изменениями расположения, формы и состава вещества, вторая — с передачей и преобразованием энергии, а третья — с передачей и преобразованием информации.

В теории управления рассматривается исключительно информационная сторона воздействий. Таким образом, обратная связь может быть определена как передача информации о выходной величине системы на ее вход либо как поступление информации, преобразованной звеном обратной связи, с выхода на вход системы.

На применении обратной связи основан принцип устройства систем автоматического регулирования (САР). В них наличие обратной связи обеспечивает повышение помехоустойчивости из-за уменьшения влияния помехи (z на рис. 3), действующей в прямом тракте системы.

Если в линейной системе со звеньями, обладающими передаточными фциями Кх(р) и К2(р), снять цепь обратной связи, то изображение х выходной величины х определится следующим соотношением:

Если при этом требуется, чтобы выходная величина х в точности равнялась задающему воздействию х*, то общий коэффициент усиления системы К(р)= К1(р)К2(р) должен равняться единице, а помеха z должна отсутствовать. Наличие z и отклонение К(р) от единицы обусловливают возникновение погрешности е, т. е. разности

Если теперь замкнуть систему с помощью обратной связи, как показано на рис. 3, изображение выходной величины х будет определяться следующим соотношением:

Из соотношения следует, что при достаточно большом по модулю коэффициент усиления Кх(р) второе слагаемое пренебрежимо мало и, следовательно, влияние помехи z ничтожно. В то же время значение выходной величины х будет очень мало отличаться от значения задающего воздействия.

В замкнутой системе с обратной связью удается значительно уменьшить влияние помех по сравнению с разомкнутой системой, т. к. последняя не реагирует на действительное состояние управляемого объекта, «слепа» и «глуха» к изменению этого состояния.

Рассмотрим в качестве примера полет самолета. Если заранее с высокой точностью установить рули самолета так, чтобы он летел в заданном направлении, и жестко закрепить их, то порывы ветра и др. случайные и заранее непредвиденные факторы собьют самолет с нужного курса.

Исправить положение в состоянии только система с обратной связью (автопилот), способная сравнивать заданный курс х* с фактическим х и в зависимости от образовавшегося рассогласования изменять положение рулей.

О системах с обратной связью часто говорят, что они управляются ошибкой е (рассогласованием). Если звено Кх(р) представляет собой усилитель с достаточно большим коэффициентом усиления, то при определенных условиях, наложенных на передаточную функцию К2(р) остальной части тракта, замкнутая система остается устойчивой.

В этом случае погрешность е в установившемся режиме может быть сделана сколь угодно малой. Достаточно ей появиться на входе усилителя Кх(р), чтобы на его выходе образовалось достаточно большое напряжение и, которое автоматически компенсирует помеху и обеспечивает такое значение х, при котором разность e =х*—х была бы достаточно мала. Малейшее нарастание е вызывает несоизмеримо большее нарастание u . Поэтому любая (в практических пределах) помеха z может быть скомпенсирована и притом при сколь угодно малой величине погрешности е, шунтирующую тракт с большим коэффициентом усиления, часто называют глубокой.

Обратная связь в смешанных системах имеет место также и при функционировании сложных систем, состоящих из объектов различной природы, но действующих целенаправленно. Такими являются системы: оператор (человек) и машина, учитель и ученик, лектор и аудитория, человек и обучаемое устройство.

Во всех этих примерах мы имеем дело с замкнутой цепью воздействий. По каналам обратной связи оператор получает информацию о характере функционирования управляемой машины, обучающий — информацию о поведении ученика и о результатах обучения и т. п. Во всех этих случаях в процессе функционирования существенно изменяются как содержание информации, передаваемое по каналам, так и сами каналы.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Отрицательная и положительная обратная связь в электронике и живых системах

Привет, Вы узнаете про отрицательная обратная связь, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое отрицательная обратная связь, положительная обратная связь, обратная связь , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Системный анализ (системная философия, теория систем).

обратная связь ( англ. feedback ) — влияние результата функционирования любой системы на характер дальнейшего ее функционирования. Термин «обратная связь» используется в ходе процессов в социальных, биологических, технических, экономических и других системах, а также в кибернетике и теории автоматического регулирования и управления .

Одно из первых исследований влияния обратной связи на результат функционирования системы было выполнено Майклом Фарадеем в популярной работе «История свечи» .

Типы обратной связи

По характеру воздействия различают :

Положительная и отрицательная обратная связь

• положительная обратная связь влияет на систему таким образом, что увеличивает исходный результат ее функционирования. В теории автоматического управления положительная обратная связь реализуется путем передачи на вход системы части выходного сигнала таким образом, что сигнал обратной связи совпадает в фазе с входным сигналом, эквивалентным увеличению входного сигнала. В отдельных случаях положительная связь может приводить к генерации в системе – когда любая флуктуация в системе передается на ее вход и усиливается, благодаря чему в системе возникают незатухающие колебания.

• отрицательная обратная связь влияет на систему таким образом, что уменьшает исходный результат ее функционирования. В теории автоматического управления отрицательная обратная связь реализуется путем передачи на вход системы части выходного сигнала таким образом, что сигнал обратной связи находится в противофазе с входным сигналом, эквивалентным уменьшению входного сигнала, что приводит к снижению коэффициента усиления системы, но при этом повышается устойчивость системы и уменьшается погрешность и инерционность системы.

Жесткая и гибкая (elastic feedback) обратная связь

• жесткая обратная связь действует в установившемся и переходном режимах работы системы.

• Гибкая обратная связь действует только в переходном режиме работы системы, несет информацию о скорости изменений в системе. В теории автоматического управления реализуется добавлением в контур обратной связи дифференцирующих элементов.

Общая и местная обратная связь

• общая обратная связь формируется за счет передачи результата функционирования всей системы на ее вход.

• местная обратная связь формируется за счет передачи результата функционирования отдельного звена системы на вход этого звена.

Кроме того, в САР различают внешнюю обратную связь, соединяющую выход всей системы с ее входом, и внутреннюю (местную), соединяющую выход отдельного элемента или группы последовательно соединенных элементов с их входом.

Математическая формулировка

Пусть входной сигнал u и выходной сигнал U определенного объекта ( черного ящика ) связан линейным соотношением

где k – коэффициент усиления .

Если на вход системы подать кроме сигнала u еще частично сигнал с выхода, так что общий входной сигнал станет <\displaystyle u+\alpha U>, где <\displaystyle \alpha>— определенный коэффициент обратной связи, получим

В этом случае выходной сигнал будет определяться формулой

При положительных значениях выходной сигнал будет усиливаться, но стабильность будет падать. При α = 1/k выходной сигнал станет нескончаемо большим (на самом деле в таком случае система выйдет из линейного режима).

При отрицательных значениях усиления уменьшается и система стабилизируется.

Обратные связи в усилителях. Виды обратной связи (ос). Влияние ос на входное и выходное сопротивление усилителя.

Обратные связи

1) Отрицательная обратная связь (ООС) — (UВХ-UВЫХ) сигнал с выхода на вход приходит в противофазе.

2) Положительная обратная связь (ПОС)- (UВХ +U ВЫХ ) сигнал с выхода на вход приходит в фазе.

По типу связи:

1) Последовательная обратная связь – сигнал обратной связи включен в разрыв входной цепи.

2)Параллельная обратная связь – сигнал обратной связи включен параллельно входной цепи.

+Выходное сопротивление усилителя зависит от того, каким образом вводится ОС. Если отрицательная ОС вводится по напряжению, то выходное сопротивление уменьшается, если по току -— увеличивается. Введение ОС широко используется для целенаправленного изменения выходного сопротивления и позволяет реализовать усилители с очень малыми (сотые доли ом) и очень большими (сотни — тысячи мегом) выходными сопротивлениями. При введении ОС по напряжению усилитель приближается к идеальному источнику напряжения, выходной сигнал которого мало изменяется при различных сопротивлениях нагрузки. ОС по току стабилизирует ток нагрузки, приближая усилитель к идеальному источнику тока.

Входное сопротивление также зависит от способа введения во входную цепь сигнала ОС. При ее отсутствии входное сопротивление определяется входными напряжением и током усилителя. При последовательной схеме введения ОС входное сопротивление увеличивается в (1+BКо) раз при отрицательной обратной связи и уменьшается в (1-BКo) раз при положительной. Введение параллельной ОС эквивалентно включению параллельно входному сопротивлению усилителя дополнительного сопротивления, в результате чего входное сопротивление уменьшается как при отрицательной, так и при положительной ОС. При больших Кo и малом сопротивлении в цепи обратной связи входное сопротивление может составить десятые и тысячные доли Ом.

Орицательная обратная связь (ООС)

Орицательная обратная связь (ООС) — вид обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое противодействует первоначальному изменению.

Иными словами, отрицательная обратная связь — это такое влияние выхода системы на вход («обратное»), которое уменьшает действие входного сигнала на систему.

• Если обратная связь может полностью компенсировать («заглушить») входящий сигнал, система относится к классу регуляторов (поплавковый механизм) или следящих усилителей (гидроусилитель).
• Если же обратная связь компенсирует только часть входного сигнала (см. коэффициент обратной связи), то влияние входа на систему (и выход) будет меньше, но более стабильное («четкое»), так как случайные изменения параметров системы (и, соответственно, колебания выхода) будут в значительной степени скомпенсированы через линию обратной связи.

Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.

Методы математического анализа систем, в том числе и охваченных отрицательной обратной связью, подробно рассматриваются теорией автоматического управления.

Бытовой пример

Одним из самых простых примеров может служить устройство простейшего сливного бачка. По мере наполнения сливного бачка уровень воды в нем поднимается, что приводит к всплыванию поплавка, который блокирует дальнейшее поступление воды.

ООС в электротехнике

Огромное значение отрицательная обратная связь имеет при выработке электроэнергии для стабилизации параметров качества электроэнергии — напряжения и частоты. При колебаниях электрической нагрузки изменяется падение напряжения на обмотках генератора и отводящих проводах, то есть изменяется выходное напряжение генератора, а нередко изменяются и обороты генератора, особенно в тех случаях, когда генератор установлен не как вспомогательный агрегат (например, на двигателе автомобиля или самолета), а является главным генератором электростанции или тепловоза и колебания его мощности оказывают большое влияние на приводной двигатель. При колебаниях оборотов также изменяется напряжение генератора, так как ЭДС генератора пропорциональна оборотам, а если генератор вырабатывает переменный ток — то и частота. Поэтому в паре практически с каждым генератором, используемым для электроснабжения (сюда не входят тахогенераторы и другие специальные электромашины), работает один или несколько регуляторов с отрицательной обратной связью.

Регулятор напряжения (РН) практически всегда управляет возбуждением (магнитным потоком) генератора, регулируя ток в обмотке возбуждения (индукторе) — при просадке напряжения регулятор увеличивает ток возбуждения, ЭДС генератора растет и напряжение восстанавливается; при повышении напряжения происходит обратный процесс. РН может быть установлен в самом генераторе, как это сделано в большинстве современных автомобильных генераторов — регулятор выполнен в одном корпусе со щетками, подающими ток возбуждения на ротор (на жаргоне этот блок называется «таблетка» за характерную форму корпуса регулятора), может быть установлен отдельно — например, на большинстве летательных аппаратов генераторы установлены на двигателях, то есть в негерметичной зоне, а блоки регулирования — в фюзеляже возле распредустройств, то есть отрицательная обратная связь учитывает падение напряжения и на обмотках генератора, и на проводах от генератора до РУ.

Регуляторы частоты ввиду разнообразия типов приводных двигателей и соотношений мощности генератора и двигателя бывают самыми различными. В некоторых случаях достаточно работы собственного регулятора приводного двигателя, например, клапана холостого хода инжекторного двигателя или регулятора дизеля — в этом случае в контур ООС генератор не входит вообще, регулятор двигателя, обнаруживая уменьшение оборотов (при росте нагрузки генератора) или их повышение (при уменьшении нагрузки) соответственно увеличивает или уменьшает подачу топлива. В других случаях двигатель и генератор связаны той или иной обратной связью — например, в регуляторах тепловозных дизелей установлен реостат (напр., в регуляторе ЧМЭ3) или индуктивный датчик (в регуляторе 2ТЭ116 и др.), который при большой нагрузке дизеля уменьшает возбуждение главного генератора, защищая дизель от перегрузки.

Также между двигателем и генератором может иметься то или иное устройство регулирования частоты — например, в конструкцию аэродромного источника питания АПА-50 входит гидромуфта переменного наполнения, а самолетные генераторы переменного тока, стоящие на основных двигателях, зачастую установлены на приводах постоянных оборотов. ППО может быть как чисто механическим (воздушный ППО-40, гидростатический ГП21), так и иметь электроуправление — так, на Ту-154М, Ил-76 и некоторых других самолетах стоят блоки регулирования частоты БРЧ-62, подстраивающие ППО при отклонении частоты генераторов от номинальной (400 Гц).

Отрицательная обратная связь широко используется в тяговых приводах локомотивов . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Наиболее простой пример — противокомпаундная обмотка возбудителя (небольшого генератора, вырабатывающего ток возбуждения основных двигателей). Она намотана на полюсах возбудителя вместе с основной (независимой) обмоткой возбуждения и по ней течет ток тяговых двигателей, но направление тока в ней таково, что ее магнитный поток действует против потока основной обмотки. Если ток двигателей мал, то она не оказывает особого влияния на результирующий поток возбуждения, но по мере роста тока поток противокомпаундной обмотки растет и результирующий поток падает. В итоге падает напряжение возбудителя, а с ним и ток тяговых двигателей.

Эта ООС важна на тепловозах для предотвращения боксования и перегрузки оборудования, на электровозах ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 и других, где для возбуждения двигателей при электроторможении (рекуперации) установлен преобразователь с противокомпаундной обмоткой — для предотвращения юза и перегрузки оборудования. При рекуперации, если внезапно снижается напряжение контактной сети (включение тяги на другом электровозе, отключение подстанции), то резко возрастает ток рекуперации, так как увеличивается разность напряжений контактной сети и тяговых двигателей, работающих в режиме генераторов, а с током возрастает и тормозная сила, вплоть до срыва колесных пар в юз. Но ток, протекая через противокомпаундную обмотку, уменьшает напряжение преобразователя, ток возбуждения и, следовательно, напряжение двигателей, уменьшая разность напряжений между сетью и двигателями. Обратный процесс происходит при повышении напряжения сети.

В системах возбуждения генераторов тепловозов, более сложных, чем система с многообмоточным возбудителем, существуют несколько контуров ООС — по току (выполненный на датчике тока той или иной конструкции), напряжению (защищает оборудование от чрезмерного роста напряжения главного генератора), по боксованию (при боксовании, то есть увеличении частоты вращения одной или нескольких колесных пар из-за потери сцепления с рельсами, уменьшает или полностью снимает возбуждение генератора) и др.

ООС в электронике

Первым использовать идею отрицательной обратной связи в электронике предложил Гарольд Блэк (Harold Black) для улучшения линейности усиления для межконтинентальных телекоммуникаций. Суть идеи состоит в том, чтобы пожертвовать частью коэффициента усиления ради улучшения линейности выходного сигнала. Классический электронный усилитель сигнала (электронная лампа, полевой транзистор и др.) вносит нелинейные искажения в форму сигнала. Следовательно, вычитая из входного сигнала долю выходного сигнала, деленную на коэффициент усиления, можно получить форму самих нелинейных искажений. Затем, наложив обратные искажения на входной сигнал можно добиться скомпенсированного сигнала, который, пройдя через усилитель, будет иметь сниженную нелинейность.

Показательный пример использования отрицательной обратной связи — построение усилителя со стабильным коэффициентом усиления на основе операционного усилителя (ОУ).

Пусть дан некоторый ОУ с коэффициентом усиления порядка 10 6 . На основе этого ОУ нужно построить усилитель со входным сопротивлением не менее 5 кОм и коэффициентом усиления 3 (для неинвертирующего усилителя K=1+R2/R1). Для этого на инвертирующий вход ОУ ставится резистор с сопротивлением чуть больше требуемого входного (допустим, 7 кОм), а в цепь обратной связи — резистор с номиналом в 2 раза больше. Аналитическая формула показывает, что такой способ построения усилителей является приближенным, однако, в силу большой величины коэффициента усиления, погрешность от примененных допущений оказывается меньше, чем от неточности изготовления элементов.

Обычно ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот. Поскольку с повышением частоты задержка, вносимая усилителем, начинает давать существенный фазовый сдвиг усиливаемого сигнала, то и ООС работает уже не в соответствии с расчетом. Если и далее повышать частоту, то, когда продолжительность задержки станет порядка полупериода сигнала (то есть порядка 180 градусов по фазе), то ООС превратится в ПОС, а усилитель — в генератор. Для предотвращения этого цепь ООС должна делаться частотно-зависимой.

В СВЧ-усилителях обратная связь неприменима, поэтому стабилизировать усиление СВЧ-каскадов весьма непросто. Однако, если нужно стабилизировать не усиление, а амплитуду (мощность) выходного сигнала, это легко реализовать в виде АРУ.

ООС применяется в стабилизаторах напряжения (не во всех случаях).

Отрицательная обратная связь в живых системах [

Отрицательная обратная связь широко используется живыми системами разных уровней организации — от клетки до экосистем — для поддержания гомеостаза. Например, в клетках на принципе отрицательной обратной связи основаны многие механизмы регуляции работы генов (например, триптофановый оперон), а также регуляция работы ферментов (ингибирование конечным продуктом метаболического пути). В организме на этом же принципе основана система гипоталамо-гипофизарной регуляции функций, а также многие механизмы нервной регуляции, поддерживающие отдельные параметры гомеостаза (терморегуляция, поддержание постоянной концентрации диоксида углерода и глюкозы в крови и др.). В популяциях отрицательные обратные связи (например, обратная зависимость между плотностью популяции и плодовитостью особей) обеспечивают гомеостаз численности. Отрицательная обратная связь может быть использована для нормализации массы тела человека при ожирении, для чего калорийность рациона питания периодически (например, еженедельно), корректируется посредством отслеживания динамики массы тела.

Положительная обратная связь ПОС

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Положи́тельная обра́тная связь (ПОС) — тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения, то есть знак изменения сигнала обратной связи совпадает со знаком изменения входного сигнала.

Положительная обратная связь усиливает или усиливает эффект, оказывая влияние на процесс, который его вызвал. Например, когда часть электронного выходного сигнала возвращается на вход и находится в фазе с ним, коэффициент усиления системы увеличивается. Обратная связь от результата к инициирующему процессу может быть прямой или через другие переменные состояния. Такие системы могут давать богатые качественные характеристики, но то, является ли обратная связь мгновенно положительной или отрицательной по знаку, имеет чрезвычайно важное влияние на результаты. Положительная обратная связь усиливает, а отрицательная обратная связь смягчает исходный процесс. Положительные и отрицательныев этом смысле относятся к выигрышам от цикла больше или меньше нуля и не подразумевают каких-либо оценочных суждений относительно желательности результатов или эффектов. Ключевой особенностью положительной обратной связи является то, что небольшие помехи становятся больше. Когда в системе происходит изменение, положительная обратная связь вызывает дальнейшее изменение в том же направлении.

Положительная обратная связь ускоряет реакцию системы на изменение входного сигнала, поэтому ее умышленно используют в технике в ситуациях, когда требуется ускорение реакции на изменение внешних параметров.

В то же время положительная обратная связь может привести к неустойчивости системы. Для примера примем, что в контуре нет фазовых задержек.

Если коэффициент усиления в петле положительной обратной связи (в разомкнутой системе, или разомкнутом контуре), больше 1, то в системе либо возникают автоколебания (это используется в различных автогенераторах), либо система перейдет в одно из устойчивых, квазистационарных состояний (например, различные триггеры).

Если коэффициент усиления в разомкнутом контуре равен 1, система находится на грани самовозбуждения, и случайно возникшие автоколебания либо медленно затухают, либо нарастают до ограничения.

При коэффициенте усиления в разомкнутом контуре меньше 1 система устойчива.

Например, автогенератор на основе усилителя с мостом Вина в цепи положительной обратной связи является примером схемы с частотно-зависимой положительной обратной связью, причем для того, чтобы этот генератор генерировал синусоидальный сигнал с малыми искажениями, петлевое усиление в схеме поддерживается точно равным 1 с помощью амплитудно-зависимой нелинейной отрицательной обратной связи.

Другой пример использования положительной обратной связи — триггер Шмитта. Если цифровой логический элемент либо операционный усилитель охватить правильно выбранной положительной обратной связью, образуется схема с гистерезисом, называемая триггером Шмитта. Триггер Шмитта с интегрирующей RC-цепью на входе применяется для устранения дребезга контактов, повышения помехоустойчивости сигналов датчиков (или кабельных приемников), устранения состояния «неопределенности» в каналах связи, вызванном помехами, и др.

Положительная обратная связь присутствует в цепных химических реакциях, автокаталитических химических реакциях, цепных реакциях деления ядер тяжелых элементов в ядерном взрыве. При управляемой ядерной реакции в ядерных реакторах эффективный коэффициент размножения нейтронов (петлевой коэффициент усиления, в терминах авторегулирования) поддерживается равным 1 с помощью следящей системы регулирования положения поглощающих нейтроны стержней.

Нелинейная положительная обратная связь приводит к развитию в системе режима с обострением.

Примеры и применение

ПОС в электронике

В 1914 г. были изобретены и запатентованы регенеративные схемы [15] для усиления и приема очень слабых радиосигналов. Тщательно контролируемая положительная обратная связь вокруг одиночного транзисторного усилителя может увеличить его коэффициент усиления в 1000 и более раз. [16] Следовательно, сигнал может быть усилен 20 000 или даже 100 000 раз за один каскад, что обычно имеет коэффициент усиления только от 20 до 50. Проблема с регенеративными усилителями, работающими с такими очень высокими коэффициентами усиления, заключается в том, что они легко становятся нестабильными и запускаются. колебаться. Радист должен быть готов постоянно изменять количество обратной связи для хорошего приема. Современные радиоприемники используют супергетеродин. дизайн, с гораздо большим количеством каскадов усиления, но гораздо более стабильной работы и без положительной обратной связи.

Колебания, которые могут возникать в регенеративной радиосхеме, используются в электронных генераторах . При использовании настроенных схем или пьезоэлектрического кристалла (обычно кварца ) сигнал, усиленный положительной обратной связью, остается линейным и синусоидальным . Есть несколько конструкций таких гармонических осцилляторов , в том числе осциллятора Armstrong , Хартли осциллятора , Колпитса генератор , и мост генератора Wien . Все они используют положительную обратную связь для создания колебаний. [17]

Многие электронные схемы, особенно усилители, имеют отрицательную обратную связь . Это снижает их усиление, но улучшает их линейность, входное сопротивление , выходное сопротивление и полосу пропускания , а также стабилизирует все эти параметры, включая усиление с обратной связью. Эти параметры также становятся менее зависимыми от деталей самого усилительного устройства и в большей степени зависят от компонентов обратной связи, которые с меньшей вероятностью будут меняться в зависимости от производственных допусков, возраста и температуры. Разница между положительной и отрицательной обратной связью для сигналов переменного тока является одной из фаз.: если сигнал подается обратно в противофазе, обратная связь отрицательная, а если она синфазна, обратная связь положительная. Одна из проблем разработчиков усилителей, использующих отрицательную обратную связь, заключается в том, что некоторые компоненты схемы вносят фазовый сдвиг в тракт обратной связи. Если есть частота (обычно высокая частота), на которой фазовый сдвиг достигает 180 °, разработчик должен обеспечить очень низкий коэффициент усиления усилителя на этой частоте (обычно с помощью фильтрации нижних частот ). Если коэффициент усиления контура (произведение коэффициента усиления усилителя и степени положительной обратной связи) на любой частоте больше единицы, тогда усилитель будет колебаться на этой частоте ( критерий устойчивости Баркгаузена ). Такие колебания иногда называютпаразитные колебания . Усилитель, который стабилен в одном наборе условий, может вызвать паразитные колебания в другом. Это может быть связано с изменениями температуры, напряжения питания, настройками элементов управления на передней панели или даже с приближением человека или другого проводящего объекта.

Усилители могут мягко колебаться, что трудно обнаружить без осциллографа , или колебания могут быть настолько обширными, что проходит только очень искаженный сигнал или вообще не требуется никакого сигнала, или возникает повреждение. Низкочастотные паразитные колебания были названы «моторными лодками» из-за их сходства со звуком низкооборотистого выхлопа. [18]

Во многих распространенных цифровых электронных схемах используется положительная обратная связь. В то время как обычные простые логические логические логические элементы обычно полагаются просто на усиление, чтобы подтолкнуть напряжения цифрового сигнала от промежуточных значений к значениям, которые предназначены для представления логических «0» и «1», но многие более сложные элементы используют обратную связь. Когда ожидается, что входное напряжение будет изменяться аналоговым образом, но требуются точные пороги для последующей цифровой обработки, триггер ШмиттаСхема использует положительную обратную связь, чтобы гарантировать, что если входное напряжение плавно поднимется выше порогового значения, выход будет быстро и быстро переведен из одного логического состояния в другое. Одним из следствий использования триггером Шмитта положительной обратной связи является то, что если входное напряжение снова плавно опустится ниже того же порогового значения, положительная обратная связь будет удерживать выход в том же состоянии без каких-либо изменений. Этот эффект называется гистерезисом : входное напряжение должно упасть за другой, более низкий порог, чтобы «разблокировать» выход и сбросить его до исходного цифрового значения. Уменьшая степень положительной обратной связи, можно уменьшить ширину гистерезиса, но полностью устранить ее нельзя. Триггер Шмитта в некоторой степени представляет собой схему с фиксацией . [19]

Положительная обратная связь — это механизм, с помощью которого повышается результат, например уровень белка. Однако, чтобы избежать каких-либо колебаний в уровне белка, этот механизм ингибируется стохастически (I), поэтому, когда концентрация активированного белка (A) превышает пороговое значение ([I]), петлевой механизм активируется и концентрация A увеличивается экспоненциально, если d [A] = k [A]

Электронный триггер , или «защелка», или «бистабильный мультивибратор » — это схема, которая из-за высокой положительной обратной связи нестабильна в сбалансированном или промежуточном состоянии. Такая бистабильная схема является основой одного бита электронной памяти . Триггер использует пару усилителей, транзисторов или логических вентилей, соединенных друг с другом, так что положительная обратная связь поддерживает состояние схемы в одном из двух несбалансированных стабильных состояний после того, как входной сигнал был удален, до тех пор, пока не появится подходящий альтернативный сигнал. применяется для изменения состояния. [20] Компьютерная оперативная память (RAM) может быть выполнена таким образом с одной схемой фиксации для каждого бита памяти. [21]

В электронных системах происходит тепловой разгон, потому что какой-то аспект цепи может пропускать больший ток, когда он нагревается, и чем горячее он становится, тем больше тока он пропускает, что нагревает его еще больше, и поэтому он пропускает еще больший ток. Последствия для рассматриваемого устройства обычно катастрофичны. Если устройства должны использоваться на пределе их максимальной мощности, а тепловой разгон возможен или вероятен при определенных условиях, улучшения обычно могут быть достигнуты путем тщательного проектирования. [22]

ПОС В биологии

Чем больше овец побежало, тем больше овец побежит за ними. Сигнал тревоги в стадах и стаях распространяется по механизму положительной обратной связи.

ПОС в Эволюционной биологии

Видообразование ускоряет видообразование, так как появление каждого нового вида создает новые экологические ниши, что провоцирует специализацию новых видов. Например, появление нового вида травоядных животных автоматически создает вакантные экологические ниши для новых хищников, паразитов, падальщиков и насекомых-навозников. В свою очередь, появление новых травоядных становится новым вектором отбора для растений, служащих пищей для этого вида или зависящих от распространения им семян. Новые виды хищников и паразитов добавляют петли положительной обратной связи, становясь фактором отбора для своих жертв . Коэволюция хищников и их жертв известна как частный случай «принципа черной королевы» (The Red Queen Effect).

Предполагается, что рост человеческого интеллекта также обусловлен положительной обратной связью, гонкой вооружений, из-за возрастающей межгрупповой и внутригрупповой конкуренции .

ПОС В физиологии

Примерами положительной обратной связи в физиологии могут служить:

• Рефлекс Фергюсона [en] . Во время родов сокращение стенок матки, через механочувствительные рецепторы в них, стимулирует области в гипоталамусе выделять в кровь окситоцин. Повышение концентрации окситоцина усиливает амплитуду и частоту сокращения стенок матки. Что еще больше усиливает выделение окситоцина. Таким образом обеспечивается выталкивание плода. Кроме того, по ходу беременности по принципу ПОС изменяется фоновая концентрация окситоцина в крови матери и чувствительность стенок матки к нему (за счет увеличения числа рецепторов к окситоцину на поверхности миоцитов) .

ПОС В иммунологии

Септический шок и «цитокиновый шторм» могут служить примерами положительной обратной связи в регуляторных взаимодействиях между участниками иммунного ответа. Активированные цитокинами в очаге воспаления иммунные клетки высвобождают новые порции цитокинов, привлекая и активируя новые порции иммунных клеток — в результате каскад реакций может приобрести неконтролируемый и неадаптивный характер, вызывая разрушения в очаге воспаления, распространяясь на соседние ткани и охватывая весь организм.

ПОС В психологии

Виннер (1996) описал одаренных детей как движущихся петлями положительной обратной связи, включающими в себя создание собственного учебного курса, эту обратную связь с удовлетворением, тем самым дополнительно устанавливая свои учебные цели на более высокий уровень и т. Д. [40] Виннер назвал эту петлю положительной обратной связи «яростью, которую нужно преодолеть». Вандерверт (2009a, 2009b) предположил, что вундеркинд можно объяснить в терминах положительной обратной связи между результатом мышления / выполнения в рабочей памяти , который затем передается в мозжечок, где он оптимизируется, и затем возвращается к работе. память, таким образом, неуклонно увеличивает количественный и качественный выход рабочей памяти. [ Вандерверт также утверждал, что эта петля положительной обратной связи между рабочей памятью и мозжечком отвечает за языковую эволюцию в рабочей памяти.

ПОС В экономике

Рынки с социальным влиянием

Было показано, что рекомендации по продуктам и информация о прошлых покупках существенно влияют на выбор потребителей, будь то музыка, фильмы, книги, технологические или другие типы продуктов. Социальное влияние часто вызывает феномен «богатые становятся богатыми» ( эффект Мэтью ), когда популярные продукты имеют тенденцию становиться еще более популярными. [43]

Динамика рынка

Согласно теории рефлексивности, выдвинутой Джорджем Соросом , изменения цен вызваны процессом положительной обратной связи, при котором на ожидания инвесторов влияют движения цен, поэтому их поведение усиливает движение в этом направлении до тех пор, пока оно не станет неустойчивым, после чего обратная связь приводит к росту цен. противоположное направление. [44]

Системный риск

Системный риск — это риск, который представляет для системы процесс усиления, усиления или положительной обратной связи. Обычно это неизвестно, и при определенных условиях этот процесс может экспоненциально усиливаться и быстро приводить к деструктивному или хаотическому поведению. Схема Понци является хорошим примером системы с положительной обратной связью: средства от новых инвесторов используются для выплаты необычно высокие доходы, которые , в свою очередь , привлечь больше новых инвесторов, вызывая быстрый рост к коллапсу. У. Брайан Артур также изучал и писал о положительной обратной связи в экономике (например, У. Брайан Артур, 1990). [45] Хайман Минскипредложил теорию, согласно которой определенные методы кредитной экспансии могут превратить рыночную экономику в «систему, усиливающую отклонения», которая может внезапно рухнуть [46], что иногда называют « моментом Мински ».

Простые системы, четко разделяющие входы и выходы, не подвержены системному риску . Этот риск более вероятен по мере увеличения сложности системы, потому что становится все труднее увидеть или проанализировать все возможные комбинации переменных в системе даже в условиях тщательного стресс-тестирования. Чем эффективнее сложная система, тем больше вероятность того, что она будет подвержена системным рискам, потому что требуется лишь небольшое отклонение, чтобы нарушить работу системы. Следовательно, хорошо спроектированные сложные системы обычно имеют встроенные функции, позволяющие избежать этого состояния, такие как небольшое трение, или сопротивление, или инерция, или временная задержка, чтобы отделить выходы от входов внутри системы. Эти факторы составляют неэффективность, но они необходимы, чтобы избежать нестабильности.

2010 Flash Crash инцидент был обвинен на практике высокочастотной торговли (HFT), [47] , хотя , действительно ли увеличивает HFT системный риск остается спорным. [ необходима цитата ]

Рост населения

Можно считать, что сельское хозяйство и человеческое население находятся в режиме положительной обратной связи [48], что означает, что одно движет другим с возрастающей интенсивностью. Предполагается, что эта система положительной обратной связи когда-нибудь закончится катастрофой, поскольку современное сельское хозяйство использует весь легко доступный фосфат и прибегает к высокоэффективным монокультурам, которые более подвержены системному риску .

Аналогичным образом можно рассматривать технологические инновации и человеческую популяцию, и это было предложено в качестве объяснения очевидного гиперболического роста человеческой популяции в прошлом вместо более простого экспоненциального роста . [49] Предполагается, что темпы роста ускоряются из-за положительной обратной связи второго порядка между населением и технологиями. [50] : 133–160 Технологический рост увеличивает несущую способность земли для людей, что ведет к росту населения, а это, в свою очередь, стимулирует дальнейший технологический рост. [50] : 146 [51]

Предрассудки, социальные институты и бедность

Гуннар Мюрдал описал порочный круг растущего неравенства и бедности, который известен как « круговая кумулятивная причинно-следственная связь ». [52]

ПОС В метеорологии

Засуха усиливается благодаря положительной обратной связи. Недостаток дождя снижает влажность почвы, что приводит к гибели растений и / или к тому, что они выделяют меньше воды за счет транспирации . Оба фактора ограничивают эвапотранспирацию , процесс, при котором водяной пар попадает в атмосферу с поверхности, и добавляют в атмосферу сухую пыль, которая поглощает воду. Меньшее количество водяного пара означает как низкие температуры точки росы, так и более эффективное дневное отопление, уменьшая вероятность влажности в атмосфере, ведущей к образованию облаков. Наконец, без облаков не может быть дождя, и петля полная. [53]

ПОС В климатологии

Климатические «воздействия» могут подтолкнуть климатическую систему в сторону потепления или похолодания [54], например, повышенные концентрации парниковых газов в атмосфере вызывают потепление на поверхности. Принуждения являются внешними по отношению к климатической системе, а обратная связь — это внутренние процессы системы. Некоторые механизмы обратной связи действуют относительно изолированно от остальной климатической системы, в то время как другие тесно связаны. [55] Силы, обратная связь и динамика климатической системы определяют, насколько и насколько быстро изменяется климат. Основная положительная обратная связь в глобальном потеплении — это тенденция потепления к увеличению количества водяного пара в атмосфере, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему потеплению. [56] Основная отрицательная обратная связь исходит из закона Стефана – Больцмана , количество тепла, излучаемого от Земли в космос, пропорционально четвертой степени температуры поверхности Земли и атмосферы.

Другие примеры подсистем положительной обратной связи в климатологии включают:

• Более теплая атмосфера растает лед, и это изменяет альбедо, что еще больше нагревает атмосферу.
• Гидраты метана могут быть нестабильными, поэтому потепление океана может выделять больше метана , который также является парниковым газом.
• Торф , встречающийся в естественных условиях на торфяных болотах , содержит углерод. При высыхании торф разлагается и может дополнительно гореть. Торф также выделяет закись азота .
• Глобальное потепление влияет на распределение облачности. Облака на больших высотах усиливают парниковый эффект, а низкие облака в основном отражают солнечный свет, оказывая противоположное влияние на температуру.

В четвертом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) говорится, что «антропогенное потепление может привести к некоторым эффектам, которые будут резкими или необратимыми, в зависимости от скорости и масштабов изменения климата». [57]

ПОС В социологии

Накликать пророчество является социальная положительная обратная связь между убеждениями и поведением: если достаточное количество людей считают , что что — то верно, их поведение может сделать это так, и наблюдения за их поведением , может в свою очередь , увеличение веры. Классический пример — бегство из банка .

Другой социологический пример положительной обратной связи — сетевой эффект . Когда больше людей поощряются присоединиться к сети, это увеличивает охват сети, поэтому сеть расширяется еще быстрее. Вирусное видео является примером сетевого эффекта , в котором ссылка на популярное видео является общими и перераспределяется, гарантируя , что все больше людей посмотреть видео , а затем повторно публиковать ссылки. Это основа многих социальных явлений, включая схемы Понци и письма счастья . Во многих случаях размер популяции является ограничивающим фактором для эффекта обратной связи

.

ПОС в химии

Если химическая реакция вызывает выделение тепла , а сама реакция происходит быстрее при более высоких температурах, то высока вероятность положительной обратной связи. Если выделяемое тепло не отводится от реагентов достаточно быстро, может произойти термический выход из строя, который очень быстро приведет к химическому взрыву .

ПОС В консервации

На многих диких животных охотятся из-за их частей, которые могут быть весьма ценными. Чем ближе к исчезновению становятся целевые виды, тем выше их цена. Это пример положительной обратной связи. [5

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Положительная обратная связь в макроэволюции
• Режим с обострением
• Порочный круг
• Цепная химическая реакция
• Акустическая обратная связь
• Биологическая обратная связь
• Связь (техника)
• Рекурсия

В общем, мой друг ты одолел чтение этой статьи об отрицательная обратная связь. Работы в переди у тебя будет много. Смело пишикоментарии, развивайся и счастье окажется в ваших руках. Надеюсь, что теперь ты понял что такое отрицательная обратная связь, положительная обратная связь, обратная связь и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Системный анализ (системная философия, теория систем)

Лекция 5. Обратная связь и ее влияние на характеристики устройства.

Влияние ОС на основные показатели и характеристики усили­тельных устройств.

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов — М.: Высш. шк., 2005. — 799 с.

При построении устройств аналоговой схемотехники исключитель-но важное значение имеет применение обратной связи (ОС). Свойства усилителя в значительной степени определяются свойствами цепей обратной связи. С помощью усилителя, охваченного обратной связью, можно построить практически все устройства аналоговой обработки сигналов: активные фильтры, инвертирующие и не инвертирующие усилители, сумматоры, вычитатели, логарифмические преобразователи, генераторы, перемножители и другие.

Обратной связью называют процесс передачи сигнала из последующих цепей усилителя в предыдущие.

На рисунке 3.5.1 приведена упрощенная структурная схема усилителя с цепью обратной связи. Здесь в качестве цепи обратной связи используется пассивный четырёхполюсник с коэффициентом передачи

(3.5.1)

Рисунок 3.5.1 — Структурная схема усилителя с цепью обратной связи

В схеме рисунка 3.5.1: К – коэффициент усиления напряжения в усилителе без ОС; К_ВХ.Ц– коэффициент передачи напряжения сигнала во входной цепи усилителя без ОС; U_ОС – напряжение на выходе цепи ОС, подводимое по с выхода усилителя к источнику сигнала; β- коэффициент обратной связи (коэффициент передачи напряжения сигнала по цепи ОС с выхода до источника сигнала), определяемый по формуле (3.5.1). Поскольку цепь обратной связи является, как правило, пассивной, то модуль β не превышает единицы.

Замкнутый контур, образованный усилительным трактом и цепью ОС, называется петлей ОС. Коэффициент передачи по всей петле ОС называют петлевым усилением (или возвратным отношением)

(3.5.2)

где — сквозной коэффициент усилителя.

Системы с обратной связью различаются по следующим классификационным признакам:

1. По способу взаимодействия сигналов, поступающих от источника сигнала и по цепи ОС с выхода усилителя, обратная связь может быть: положительная; отрицательная; комплексная.

Поскольку при обратной связи во входной цепи взаимодействуют сигналы, поступающие от источника и с выхода цепи ОС, результирующее значение (U_{ВХ ОС}) будет зависеть от фазы напряжения на выходе цепи ОС (U_ОС) относительно фазы напряжения источника сигнала (рисунок 3.5.2).

Рисунок 3.5.2. Типы обратной связи по способу взаимодействия сигналов

Обратная связь называется положительной (ПОС), если сигнал обратной связи совпадает по фазе с сигналом источника при их взаимодействии на входе усилителя (= 0° ). При ПОС вектор напряжения ОС совпадает по направлению с вектором ЭДС источника сигнала, что приводит к увеличению результирующее напряжение на входе (U_{ВХ ОС}) и выходе схемы и к увеличению сквозного коэффициента усиления всей схемы

(3.5.3)

где величина — называется глубиной положительной ОС (или сквозной возвратной разностью).

Положительная обратная связь может использоваться при построении генераторов, так как при =1 выполняется баланс фаз и баланс амплитуд, что является условием самовозбуждения.

Если сигналы обратной связи и источника находятся в противофазе (_Т=180°), ОС называют отрицательной (ООС). При ООС вектор напряжения ОС противоположен вектору ЭДС источника сигнала, что приводит к уменьшению результирующего напряжения U_ВХОС и уменьшению сквозного коэффициента усиления всей схемы. Действительно, коэффициент передачи с ООС

(3.5.4)

где – глубина отрицательной ОС (или сквозная возвратная разность), которая показывает, во сколько раз уменьшается сквозной коэффициент усиления при введении обратной связи. Поскольку при построении усилительных устройств применяют преимущественно ООС, то в дальнейшем величину, будем называть просто “глубина ООС”.

Тем не менее, несмотря на уменьшение сквозного коэффициента усиления, ООС приводит к улучшению большинства качественных показателей усилителей. Уменьшение же коэффициента усиления, вызываемого ООС, может быть скомпенсировано введением дополнительных предварительных каскадов усиления.

2. По конструктивным особенностям и способу организации различают ОС: внутреннюю; паразитную; внешнюю.

Внутренняя ОС возникает в усилительных элементах вследствие особенностей их физических свойств и конструкций.

Паразитная ОС, возникает вследствие емкостных, индуктивных и других паразитных связей между последующими и предыдущими цепями усилителя (например, по цепи питания, учитывая ненулевое внутреннее сопротивления источника питания по переменному току). Внутренние и паразитные обратные связи произвольно изменяют (как правило, ухудшая) показатели усилителя и снижают его устойчивость.

Внешняя (полезная или специально вводимая) ОС вводится в схему усилителя преднамеренно для улучшения или изменения его свойств и качественных показателей.

3. По числу охватываемых обратной связью каскадов усиления ОС может быть: местной; общей; однопетлевой; многопетлевой.

Если ОС охватывает один каскад, ее называют местной ОС, если она охватывает два или более каскадов усиления, ее называют общей ОС. Если усилитель имеет только одну (местную или общую) цепь ОС, она называется однопетлевой. При комбинации местных и общих цепей обратной связи, в том случае, когда эти цепи либо независимы друг от друга, либо полностью или частично перекрываются, ОС называют многопетлевой. На рисунке 3.5.3 показан усилитель с многопетлевой ОС, состоящей из цепи местной ОС (β₂) и цепи общей ОС (β_общ).

Рисунок 3.5.3. Пример многопетлевой обратной связи

4. По способам подключения цепи ОС к выходу (при снятии ОС) и входу (при подаче ОС) усилителя различают: параллельную ОС; последовательную ОС; комбинированную ОС.

Следует подчеркнуть, что способы снятия и подачи ОС могут быть независимыми и определяться выбором способа (простоты) реализации ОС для конкретной схемы и требованиями к свойствам усилителя, определяемым свойствами ОС. Таким образом, ОС может быть последовательной по способу снятия и параллельной по способу подачи; комбинированной по способу снятия и последовательной по способу подачи и так далее.

Таким образом, если напряжение ОС перестает подаваться на вход при обрыве источника сигнала, то в схеме – последовательная ОС. Если же оно перестает подаваться при коротком замыкании источника сигнала, то связи параллельная. Если напряжение ОС не исчезает ни при обрыве, ни при замыкании источника сигнала, то в схеме – комбинированная по входу ОС.

Характер влияния ОС на коэффициенты усиления определяется способом подачи на вход и не зависит от способа снятия с выхода усилителя.

Входное сопротивление устройства с последовательной по входу ООС окажется больше входного сопротивления самого усилителя. Физи-чески это очевидно из предыдущих рассуждений, поскольку при введе-нии последовательной по входу ООС и обеспечения Е_истОС = Е_ист*F* входное напряжение устройства возрастает, а входной ток остаётся прежним.

последовательная по входу ООС: не изменяет коэффициент усиления по току устройства; уменьшает коэффициент усиления по напряжению устройства; увеличивает входное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при коротком замыкании со стороны входа.

параллельная по входу ООС:

не изменяет коэффициент усиления по напряжению устройства; уменьшает коэффициент усиления по току; одновременно уменьшает входное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при х.х. со стороны входа.

Поскольку характер влияния ОС на выходное сопротивление усилителя определяется способом снятия ОС с выхода усилителя и не зависит от способов подачи ее на вход, то это влияние может рассматриваться при любом (например, последовательном) способе подачи.

последовательная по выходу ООС увеличивает выходное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при к.з. на выходе (Zн=0).

Следует подчеркнуть, что это увеличение выходного сопротивления происходит вследствие действия ООС, а не за счет пассивного влияния сопротивления ОС в выходной цепи усилителя, которое сводят к минимуму выбором очень малого сопротивления ОС.

При ООС по напряжению выходное напряжение сигнала устройства при изменении сопротивления нагрузки изменяется меньше, чем без ОС, что эквивалентно уменьшению выходного сопротивления устройства.

Комбинированная по выходу ООС объединяет в себе последовательную по выходу ООС (ООС по току) и параллельную по выходу ООС (ООС по напряжению).

ООС уменьшает напряжение собственных помех и нелинейные искажения в глубину обратной связи раз, независимо от способа снятия и подачи ОС. Физически это уменьшение происходит вследствие того, что возникающее в усилителе напряжение гармоники, фона (или другой собственной помехи) частично компенсируются напряжением гармоники, фона (или другой собственной помехи), которое с выхода устройства по петле ООС приходит к месту возникновения гармоники или собственной помехи с противоположным знаком.

ООС приближает АЧХ к идеальной, что достигается ценой снижения усилительных свойств устройства, которое обычно компен-сируется введением дополнительного каскада предварительного усиления. Наряду с частотной характеристикой частотнонезависимая ООС улучшает фазовую и переходную характеристики. Поэтому частотно-независимая ООС очень широко применяется в усилителях систем телекоммуникаций.

Частотнозависимая ООС широко используется для самых различных изменений частотных характеристик усилителей с целью корректирования (исправления) их в областях верхних, нижних и средних частот, а также для создания избирательных усилителей.