Zespół Szkół nr 9 im. Romualda Traugutta

w Koszalinie

Temat ćwiczenia: Badanie układów ujemnego sprzężenia zwrotnego

Koszalin rok szk. 2003/2004

1. Wstęp

W układach elektronicznych sprzężenie zwrotne polega na przekazywaniu części sygnału wyjściowego, zwanego sygnałem zwrotnym, na wejście układu, gdzie sumuje się on z sygnałem wejściowym, zmieniając właściwości układu.

Każdy obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego może być przestawiony w postaci bloku, który zazwyczaj jest czwórnikiem biernym, składającym się z takich elementów jak: rezystory, kondensatory, cewki. Najczęściej jest to prosty układ rezystancyjny lub rezystancyjno-pojemnościowy.

Rys. 1. Układ wzmacniacza K_u z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego β.

Rysunek 1. przestawia wzmacniacz podstawowy o wzmocnieniu napięciowym K_O i wzmocnieniu prądowym K_I .

Wzmocnienie napięciowe i prądowe wzmacniacza wynosi odpowiednio:

K_U =
;

gdzie: U₁ - napięcie na wejściu wzmacniacza,

U₂ - napięcie na wyjściu wzmacniacza.

K_i =
;

gdzie: I₁ - prąd wejściowy wzmacniacza,

I₂ - prąd wyjściowy wzmacniacza.

Część napięcia wyjściowego U₂ wzmacniacza K_o jest jednocześnie napięciem wejściowym U_wes układu sprzężenia zwrotnego β pochodzącego z układu próbkującego. Napięcie wyjściowe U_wys układu sprzężenia zwrotnego podawane jest do układ sumującego i dodane do sygnału  wejściowego U_we z generatora G.

Sprzężenie zwrotne jest ujemne wówczas, gdy sygnał sprzężenia zwrotnego U_wys z wyjścia układu sprzężenia zwrotnego β jest w takiej fazie do sygnału wejściowego U_we z generatora G, że po ich zsumowaniu napięcie na wejściu wzmacniacza U₁ będzie mniejsze od napięcia z generatora U_we

W ten sposób sygnał U₁ na wejściu wzmacniacza K_O jest mniejszy od sygnału U_we z generatora G co w efekcie daje zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza objętego pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Transmitancja układu sprzężenia zwrotnego β wyraża się stosunkiem napięcia wyjściowego U_wys do napięcia wejściowego U_wes:

β =
;

Parametr ten mówi nam ile razy układ sprzężenia zwrotnego tłumi sygnał sprzężenia.

2. Klasyfikacja układów ujemnego sprzężenia zwrotnego.

W zależności od sposobu próbkowania napięcia wyjściowego U₂ wzmacniacza oraz od sposobu sumowania napięcia sprzężenia zwrotnego U_wys z napięciem pochodzącego ze źródła sygnału U_we rozróżniamy cztery kombinacje układów ujemnego sprzężenia zwrotnego.

1. Próbkowanie napięcia.

Układ próbkowania napięcia przedstawiony jest na rysunku poniżej.

Rys. 2. Układ próbkowania napięcia.

Wejście układu sprzężenia zwrotnego włączone jest równolegle do wyjścia wzmacniacza czyli całe napięcie wyjściowe U_wy podane jest na wejście układu sprzężenia zwrotnego. To oznacza, że napięcie sprzężenia zwrotnego U_wys jest proporcjonalne do napięcia występującego na wyjściu układu.

Rezystancja wejściowa R_{we β} układu sprzężenia zwrotnego jest włączona równolegle do rezystancji wyjściowej wzmacniacza R_wy co powoduje, że taki układ zmniejsza rezystancję wyjściową całego układu.

Taki układ nazywamy sprzężeniem napięciowym.

2. Próbkowanie prądu.

Układ próbkowania prądu przedstawiony jest na rysunku poniżej.

Rys. 3. Układ próbkowania prądu.

Wejście układu sprzężenia zwrotnego włączone jest szeregowo z wyjściem wzmacniacza i obciążeniem R_L. Napięcie wejściowe układu sprzężenia zwrotnego U_wes a za nim również napięcie wyjściowe U_wys jest proporcjonalne do prądu jaki płynie przez obciążenie wzmacniacza R_L. Szeregowe włączenie w obwód wyjściowy rezystancji R_{we β} powoduje zwiększenie rezystancji wyjściowej układu ze sprzężeniem zwrotnym.

Taki układ nazywamy sprzężeniem prądowym.

3. Układ sumacyjny równoległy.

Rysunek poniżej przestawia równoległy układ sumacyjny.

Rys. 4. Układ sumowania równoległego.

Wyjście układu sprzężenia zwrotnego włączone jest równolegle do wejścia wzmacniacza to znaczy, że napięcie sprzężenia zwrotnego U_wys jest włączone równolegle do napięcia wejściowego U_we. Podobnie, rezystancja wyjściowa układu sprzężenia zwrotnego R_wys bocznikuje rezystancję wejściową wzmacniacza R_we i zmniejsza rezystancję wejściową układu ze sprzężeniem zwrotnym.

Faza sygnału U_wys powinna być przeciwna do fazy sygnału z generatora aby sprzężenie zwrotne było ujemne.

Taki układ nazywamy sprzężeniem równoległym.

4. Układ sumujący szeregowy.

Poniższy rysunek przestawia szeregowy układ sumacyjny.

Rys. 5. Układ sumowania szeregowego.

W tym układzie napięcie wyjściowe układu sprzężenia zwrotnego jest włączone szeregowo z napięciem źródła sygnału U_we. Napięcie sygnału wejściowego wzmacniacza U₁ jest różnicą napięć U_wys i U_we. Rezystancja wejściowa układu ze sprzężeniem zwrotnym widziana od strony generatora jest większa niż rezystancja wejściowa samego wzmacniacza R_we o rezystancję wyjściową układu sprzężenia zwrotnego R_wys. Stąd wniosek, że ujemne sprzężenie zwrotne szeregowe zwiększa rezystancję wejściową wzmacniacza.

Aby sprzężenie zwrotne było ujemne to faza sygnału U_wys powinna być taka sama jak faza sygnału z generatora U_we.

Taki układ nazywamy sprzężeniem szeregowym.

3. Zalety ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacz ma ujemne sprzężenie zwrotne wtedy, gdy jakikolwiek wzrost sygnału powoduje taką zmianę sygnału sprzężenia zwrotnego, że jest ona przyczyną zmniejszenia się sygnału wyjściowego. Użyteczność ujemnego sprzężenia zwrotnego wynika stąd, że np. można zwiększyć i tak już dużą rezystancję wejściową wzmacniacza oraz można zmniejszyć i tak zwykle małą rezystancję wyjściową. Wzmocnienie wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym K_us można wyrazić zależnością

K_us =
;

Jeżeli iloczyn K_oβ jest dużo większy od jedności to możemy napisać

K_us =
=
;

Z powyższego wzoru można wysunąć wniosek, że przy odpowiednio dużym wzmocnieniu wzmacniacza K_o i odpowiednio małym tłumieniu układu sprzężenia zwrotnego β (duże ujemne sprzężenie zwrotne) wzmocnienie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym zależy wyłącznie od wielkości sprzężenia zwrotnego a nie zależ od wzmocnienia wzmacniacza K_o. Można w ten sposób stabilizować wzmocnienie wzmacniacza bez względu ma zmiany parametrów h lub parametrów układu hybrydowego tranzystorów.

Inną ważną zaletą właściwego użycia ujemnego sprzężenia zwrotnego jest znaczna możliwość poprawy charakterystyki częstotliwościowej (poszerzenia pasma przenoszenia) i liniowości pracy wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym w  porównaniu z transmitancją wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego jest zmniejszone.

Rys. 6. Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na pasmo przenoszenia wzmacniacza.

Rysunek 6. przestawia zasadę poszerzenia pasma przenoszenia wzmacniacza po zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego. „Trzydecybelowe” pasmo przenoszenia wzmacniacza bez pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego jest ograniczone dolną i górną częstotliwością graniczną f_do i f_go. Po zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmocnienie maleje, co w efekcie powoduje poszerzenie pasma od f_ds do f_gs z uwzględnieniem spadku wzmocnienia o 3 dB.

4. Praktyczna realizacja układów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

1. Wstęp

Oto kilka podstawowych informacji, które pozwolą zrozumieć działanie praktycznych rozwiązań układów ujemnego sprzężenia zwrotnego.

1. W tranzystorowym wzmacniaczu napięciowym sygnał wejściowy U₁ (rys. 1) to sygnał występujący pomiędzy bazą a emiterem tranzystora U_be.

Rys. 7. Sterowanie tranzystora wzmacniacza napięciowego.

2. Prąd płynący przez obciążenie tranzystora (rezystor kolektorowy) jest w przybliżeniu równy prądowi płynącemu przez emiter tranzystora. Praktyczne układy ujemnego sprzężenia zwrotnego.

1. Napięciowo - równoległe ujemne sprzężenie zwrotne.

Rys. 8. Układ wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem napięciowo - równoległym.

Rysunek powyżej przestawia układ ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym sygnał z wyjścia (kolektor) jest przekazywany na wejście wzmacniacza poprzez rezystor sprzężenia R_s i kondensator sprzężenia C_s. Napięcie sprzężenia zwrotnego U_s jest włączone równolegle go napięcia wejściowego U_we. Ponieważ napięcia te są w fazie przeciwnej, to wartość sygnału sterującego tranzystor U_be jest ich różnicą.

Kondensator C_s separuje wysokie napięcie stałe kolektora od niższego napięcia stałego bazy tranzystora. O wartości ujemnego sprzężenia zwrotnego decyduje wartość rezystancji rezystora R_s.

2. Prądowo - równoległe ujemne sprzężenie zwrotne.

Rys. 9. Układ wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem prądowo - równoległym.

Powyższy układ jest taki sam jak układ poprzedni jeżeli chodzi o sposób włączenia napięcia sprzężenia zwrotnego. Różnica polega na innym sposobie pobierania napięcia z wyjścia wzmacniacza. W obwód kolektora włączono dodatkowy rezystor R_d szeregowo z obciążeniem R_c, na którym odkłada się napięcie sprzężenia zwrotnego U_s proporcjonalne do prądu płynącego przez obciążenie R_c.

3. Prądowo - szeregowe ujemne sprzężenie zwrotne.

Rys. 10. Układ wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem prądowo - szeregowym.

W powyższym układzie napięcie sprzężenia zwrotnego U_s odkłada się na dodatkowym rezystorze R_d, włączonym w obwód emitera, przez który płynie prąd taki sam (właściwie ten sam­­) jak prąd płynący przez rezystor obciążenia R_c. Czyli, napięcie sprzężenia U_s jest proporcjonalne do prądu płynącego przez obciążenie wzmacniacza. Napięcie sterujące tranzystor U_be jest proporcjonalne do różnicy napięć U_we - U_s ponieważ są one wzajemnie zgodne w fazie.

2

12

Badanie układów ujemnego sprzężenia zwrotnego.

11

Teoria.

1

Badanie wzmacniaczy selektywnych RC

---