Sprzężenie zwrotne w wzmacniaczach

W układach elektronicznych sprzężenie zwrotne polega na przekazywaniu części sygnału wyjściowego, zwanego sygnałem zwrotnym, z wyjścia na wejście układu, gdzie sumuje się on z sygnałem wejściowym, zmieniając właściwość układu. Każdy wzmacniacz z obwodem sprzężenia zwrotnego może być przedstawiony w postaci dwóch wzajemnie niezależnych czwórników, które reprezentują tor wzmocnienia (jednokierunkową transmisję sygnału z wejścia na wyjście) i tor sprzężenia zwrotnego (jednokierunkową transmisję sygnału z wyjścia na wejście)

Schemat wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym.

Współczynnik sprzężenia zwrotnego

Wzmocnienie wzmacniacza bez sprzężenia

gdzie:X_r - sygnał sterujący
X_s - sygnał sprzężenia zwrotnego
Założenie: X_r, X_s są wielkościami rzeczywistymi.

Sygnały X przedstawione w powyższych wzorach mogą być napięciami, prądami lub innymi wielkościami fizycznymi.

Ponieważ:

zatem:

Wzmocnienie układu ze sprzężeniem zwrotnym

wyglądałoby tak:

Sprzężenie zwrotne zmienia wartość wzmocnienia, przy czym zależnie od rodzaju wprowadzonej zmiany rozróżnia się trzy przypadki:

1. Jeżeli |1 - KΒ| > 1, to |K_f| < |K|, czyli następuje zmniejszenie wzmocnienia. Sprzężenie określa się jako ujemne

2. Jeżeli 0 < |1- KΒ| < 1, to |K_f| > |K|, czyli następuje zwiększenie wzmocnienia. Sprzężenie określa się jako dodatnie.

3. Jeżeli |1- KΒ| ≈ 0, to wzmacniacz będzie generował drgania, czyli stanie się generatorem ze sprzężeniem zwrotnym.

Jeżeli wzmocnienie K jest bardzo duże to

i o parametrach układu decyduje człon sprzężenia zwrotnego.

We wzmacniaczach stosuje się głównie ujemne sprzężenie zwrotne. Sygnał sprzężenia zwrotnego Xs ma fazę przeciwną niż sygnał wejściowy X_we. Sygnał sterujący wzmacniacz X_r = X_we - X_s jest mniejszy od sygnału wejściowego X_we.

Zalety ujemnego sprzężenia zwrotnego:

• zmniejszenie wrażliwości układu na zmiany parametrów elementów, warunków zasilania, czynników zewnętrznych itp.,

• zmniejszenie zniekształceń nieliniowych, zakłóceń, szumów,

• możliwość rozszerzania pasma przenoszenia wzmacniacza i kształtowania zadanych charakterystyk częstotliwościowych,

• możliwość zmiany wartości impedancji wejściowej i wyjściowej.

Zalety te są okupione zmniejszeniem wzmocnienia i stabilności układu w pewnych zakresach częstotliwości.

Rodzaj i właściwości sprzężenia zwrotnego zależą od sposobu pobierania sygnału z wyjścia układu oraz od sposobu wprowadzania go na wejście. W zależności od pobieranego sygnału wyróżnia się:

Sprzężenie napięciowe, w którym sygnał sprzężenia (zwrotny) jest proporcjonalny do napięcia wyjściowego.

Sprzężenie prądowe, w którym sygnał sprzężenia jest proporcjonalny do prądu wyjściowego.

Ze względu na sposób wprowadzenia sygnału na wejście wzmacniacza rozróżnia się:

Sprzężenie szeregowe. Sygnał sprzężenia jest wprowadzany szeregowo z sygnałem wejściowym.

Sprzężenie równoległe. Sygnał sprzężenia jest wprowadzany równolegle z sygnałem wejściowym.

W układach ze wzmacniaczem operacyjnym objętym ujemnym sprzężeniem zwrotnym właściwości wzmacniacza i ujemnego sprzężenia powodują wyrównanie napięć na obu wejściach wzmacniacza. Na podstawie tej właściwości wyznacza się zwykle wzmocnienie całego układu.