Что такое обратная связь в электронике

Что такое обратная связь в электронике

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.

Читайте также:  Холодильник аристон хотпоинт не работает холодильная камера

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.

Основные понятия и определения. В усилителях помимо прямой связи, благодаря которой происходит передача сигнала от источника к нагрузке с повышением уровня мощности, существуют обратные связи (ОС), обеспечивающие возвращение части энергии сигнала в сторону входа усилителя. Цепи, по которым энергия сигнала передается в обратном направлении, называются цепями обратной связи. В усилителях цепи обратных связей вводят преднамеренно для изменения их свойств в нужном направлении, так как выходной сигнал, поступающий по цепи обратной связи, служит средством контроля состояния усилителя и позволяет целенаправленно воздействовать на его показатели и характеристики. Таким образом, ОС в усилителях служит для самоконтроля и коррекции его работы. В дальнейшем усилители или усилительные каскады, а также цепи ОС будем обозначать в виде четырехполюсников.

Для обобщенной схемы усилителя с ОС, приведенной на рис. 3.11, я, определим коэффициент передачи в комплексной форме как отношение амплитуд выходного сигнала к входному:

где К — коэффициент усиления усилителя без обратной связи; р — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи; К и р

Рис. 3.11. Однопетлевая (а) и многопетлевая (б) обратная связь являются комплексными величинами. При выводе формулы (3.14) использовалось очевидное из рис. 3.11, а соотношение

Усилитель с четырехполюсником ОС образуют кольцевую цепь, которая называется петлей ОС. Произведение рК определяет коэффициент усиления сигнала по такой петле и называется коэффициентом петлевого усиления. Петлевое усиление, взятое с обратным знаком, т.е. произведение -5К, называют возвратным отношением. Величину 1 — рК называют возвратной разностью, которая в относительных единицах представляет собой разность между подаваемым на вход усилителя сигналом и сигналом, пришедшим на выход четырехполюсника ОС при разомкнутой петле ОС. Как ясно из соотношения (3.13), возвратная разность является мерой количественной оценки влияния ОС на свойства усилителя.

Основные классификационные признаки ОС. По способу образования обратной связи различают:

  • внутреннюю ОС, обусловленную физическими свойствами и особенностями конструкции усилительных элементов;
  • внешнюю ОС, введенную в усилитель с помощью дополнительных цепей.

По причинной обусловленности обратной связи можно выделить:

  • преднамеренную ОС, предназначенную для улучшения показателей усилителя;
  • паразитную ОС, обусловленную неудачным расположением радиодеталей и монтажом, наличием паразитных емкостных, индуктивных и гальванических связей между усилительными каскадами и другими причинами.

По способу сум м и р о в а н и я и л и ф а з и р о в а н и я сигналов источника и ОС различают:

  • положительную ОС, при которой сигналы совпадают по фазе и осуществляется арифметическое сложение сигналов;
  • отрицательную ОС, при которой сигналы находятся в противофазе и осуществляется арифметическое вычитание сигналов.
Читайте также:  Светодиодная лампа e27 30w

Этот классификационный признак справедлив для средних частот рабочего диапазона усилителя. В общем случае происходит геометрическое сложение входного сигнала и сигнала ОС, поэтому обратная связь является комплексной. Отрицательная обратная связь (ООС) широко используется для изменения показателей и характеристик усилителей в нужном направлении.

По структуре цепей обратные связи разделяют:

• на однопетлевую ОС (см. рис. 3.11, а), когда цепь обратной связи вместе с частью усилителя, которую она охватывает, образует один замкнутый контур;

многопетлевую ОС (рис. 3.11, б), когда число петель ОС превышает единицу. Если ОС охватывает один усилительный каскад, ее называют местной ОС.

По способу соединения усилителя и четырехполюсника ОС различают:

  • • обратную связь У-типа, при которой входные и выходные цени обоих четырехполюсников соединены параллельно (рис. 3.12, а). В результате такого соединения образуется новый четырехполюсник, У-параметры которого равны сумме У-параметров усилителя и четырехполюсника ОС;
  • • обратную связь Z-muna, при которой входные и выходные цепи обоих четырехполюсников соединены последовательно (рис. 3.12, б)
  • • обратную связь G-muna, при которой входные цепи обоих четырехполюсников соединены параллельно, а выходные последовательно (рис. 3.12, в);
  • • обратную связь Н-типа, при которой входные цепи обоих четырехполюсников соединены последовательно, а выходные параллельно (рис. 3.12, г).

Рис. 3.12. Виды ОС по способу соединения четырехполюсников

Вместо способа соединения усилителя с четырехполюсником ОС используются два сходных классификационных признака: способ снятия и способ введения сигналов ОС.

По способу снятия сигнала, или схеме соединения выходной цепи усилителя, входной цепи четырехполюсника ОС и нагрузки, выделяют три вида ОС (рис. 3.13):

Рис. 3.13. Виды обратной связи по способу снятия сигнала:

а — ОС но напряжению; б — ОС по току; в — комбинированная ОС

  • • ОС по напряжению (рис. 3.13, а), для которой выходная цепь усилителя (в виде источника тока 1К), входная цепь четырехполюсника ОС (/. R2) и нагрузка (Ун) соединены параллельно. Для ОС по напряжению характерны следующие признаки: при коротком замыкании нагрузки сигнал ОС (U(K) пропадает, а при отключении нагрузки — сохраняется. Такой способ снятия сигнала реализован при ОС У-типа (см. рис. 3.12, а) и Я-типа (см. рис. 3.12, г);
  • • ОС по току (рис. 3.13, б), для которой выходная цепь усилителя (в виде источника ЭДС Ек), входная цепь четырехполюсника ОС (Л3) и нагрузка (Z(l) соединены последовательно. Для этого способа снятия сигнала при коротком замыкании нагрузки сигнал ОС (U(K) сохраняется, а при отключении нагрузки — пропадает. Связь по току используется при ОС Z-типа (см. рис. 3.12, б) и Я-типа (см. рис. 3.12, а);
  • комбинированную ОС по выходу (рис. 3.13, в), для которой при коротки замыкании и отключении нагрузки (Wn —* Z„ или Уи) сигнал ОС (U(K) сохраняется. При R3 = 0 комбинированная ОС вырождается в ОС по напряжению (см. рис. 3.13, а); при = оо, R2 = 0 — в ОС по току (см. рис. 3.13, б).

По способу введения сигнала О С во входную цепь усилителя, или схеме соединения входной цепи усилителя, выходной цепи четырехполюсника ОС и источника сигналов, выделяют три вида ОС:

параллельную ОС (рис. 3.14, а), для которой входная цепь усилителя (в виде входной проводимости Увх),в выходная цепь четырехполюсника ОС (в виде источник тока /ос) и источника входных сигналов (в виде источника тока /и) соединены параллельно. Для параллельной ОС характерны следующие признаки: при коротком замыкании источника сигналов /и сигнал ОС не передается на вход усилителя, а при отключении — передается. Такой способ введения сигнала обратной связи реализован при ОС У-типа (см. рис. 3.12, а) и G-типа (см. рис. 3.12, в);

Рис. 3.14. Виды обратной связи по способу подачи сигнала:

Читайте также:  Как сделать костюм на бутылку

а — параллельная ОС; б — последовательная ОС; в — комбинированная ОС

  • последовательную ОС (рис. 3.14, б), для которой входная цепь усилителя (в виде входного сопротивления ZBX), выходная цепь четырехполюсника ОС (в виде источника ЭДС Еос) и источника входных сигналов (в виде ЭДС EJ соединены последовательно. В этом случае при коротком замыкании источника сигналов Еи сигнал Е. поступает па вход усилителя, а при отключении — не поступает. Последовательная связь используется при ОС Z-типа (см. рис. 3.12, 6) и G-типа (см. рис. 3.12, г);
  • комбинированную ОС по входу (рис. 3.14, в), для которой при коротком замыкании и отключении источника сигналов Stt сигнал ОС 5поступает на вход усилителя. При R<= R3 = О, R2 = °° комбинированная ОС вырождается в параллельную ОС (см. рис. 3.14, а); при R<= R3 = °о, R2 = 0 — в последовательную ОС (см. рис. 3.14, б).

Влияние ООС на свойства усилителей. В учебнике [62 ] рассмотрены усилители, в которых используется ОС Y-, Z-, G- и Я-типов при следующих допущениях:

• матрицы обобщенных параметров усилителя без обратной связи (W к), четырехполюсника ОС (Wp) и усилителя, охваченного обратной связью (WK ос), имеют следующий вид:

• левые зажимы цепи ОС или p-четырехполюсника на приведенных схемах (см. рис. 3.12) определены как входные, при этом энергия сигнала передается от выходных (правых) зажимов к входным, т.е. из выходной цепи усилителя во входную.

Решение задачи нахождения параметров усилителей ОС и без ОС и их сравнительная оценка позволили в «чистом» виде выявить влияние ОС на показатели усилителя, так как все обобщенные М^-параметры p-четырехполюсника, за исключением WV2, приняты равными нулю и поэтому не оказывают влияния на работу усилителя. Влияние различных типов ООС на показатели усилителей сведены в табл. 3.3.

Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС), которая и будет рассматриваться ниже. При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала.

Когда в 1928 г. была предпринята попытка запатентовать отрицательную обратную связь, то эксперты не увидели ее полезности и дали отрицательный ответ. И действительно, на первый взгляд, отрицательная обратная связь только уменьшает коэффициент усиления усилителя. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в электронике в частности, один недостаток того или иного решения может значительно перевешиваться его достоинствами.

Отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает коэффициент усиления, но исключительно благотворно влияет на многие параметры и характеристики усилителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частот коэффициент усиления оказывается не зависящим от частоты и т. д.

Различают следующих 4 вида обратных связей в усилителе (рис. 2.9):

● последовательная по напряжению (а);

● параллельная по напряжению (б);

● последовательная по току (в);

● параллельная по току (г).

На рис. 2.9 обозначено:

● К — коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

● β — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль — то это OC по току.

При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector