Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Н. — Я пришел в восторг от знакомства с этой системой. Ты только что дал решение одной проблемы, с которой мне недавно пришлось столкнуться. Я захотел сделать усилитель с коэффициентом усиления 1000, чтобы превратить свой вольтметр в милливольтметр. Такой усилитель я сделал, но мне очень мешало значительное изменение коэффициента усиления из-за колебаний напряжения сети или старения ламп.

Л. — В самом деле это идеальное решение для создания усилителя для измерительной аппаратуры. Как видишь, Незнайкин, введение отрицательной обратной связи позволило превратить обычный усилитель в точный измерительный прибор. Необходимо сказать, что, если мы научились делать усилители с очень высоким коэффициентом усиления, то значительно труднее, не прибегая к отрицательной обратной связи, получить коэффициент усиления, укладывающийся в заданные пределы, когда нижняя и верхняя границы очень близки одна к другой.

Очень часто от выполнения такой задачи отказываются и ограничиваются тем, что делают коэффициент усиления выше некоторого минимума, что в принципе весьма просто. А теперь мне остается добавить, что отрицательная обратная связь вносит в схему и другие улучшения. Она снижает паразитные шумы усилителя, и в частности, свист, создаваемый плохо отфильтрованным напряжением питания.

Н. — Превосходно, но я не понимаю, каким образом ей это удается.

Л. — Дело в том, что этот паразитный шум дает нам некоторое напряжение, которое накладывается на выходное напряжение Uвых, как бы источник паразитного напряжения включили последовательно выходу усилителя; аттенюатор передает на вход разностной схемы часть этого паразитного напряжения, откуда он попадет на вход усилителя, благодаря чему в выходном напряжении усилителя появляется своеобразная составляющая, которая противодействует этому паразитному напряжению и значительно его ослабляет. Я не стану тебе показывать расчеты вносимого улучшения (кстати сказать, они очень простые), а посоветую только запомнить, что в итоге паразитное напряжение оказывается разделенным на некоторую величину βk, которую называют коэффициентом отрицательной обратной связи. В нашем числовом примере этот коэффициент равен 200[22].

Н. — Чудесно! Значит, если усилитель ужасно свистит, его можно полностью успокоить отрицательной обратной связью?

Л. — Совершенно верно. Но на этом приятные для тебя сюрпризы не заканчиваются. Воздействие отрицательной обратной связи проявляется еще в снижении выходного сопротивления. Если нагрузка потребляет некоторый ток на выходе усилителя, то напряжение Uвых проявляет тенденцию к снижению из-за наличия в усилителе выходного внутреннего сопротивления. Это снижение в известной мере напоминает паразитное напряжение вроде напряжения свиста, о котором мы только что говорили. Отрицательная обратная связь оказывает противодействие этому снижению и значительно его уменьшает. В результате этого выходное внутреннее сопротивление усилителя оказывается разделенным на тот же самый коэффициент βk. Можно также доказать, что отрицательная обратная связь сильно повышает входное сопротивление этого усилителя — оно умножается на коэффициент βk.

Н. — Изумительно! Эта отрицательная обратная связь все устраивает к лучшему!

Л. — Действительно, она многое устраивает весьма удачно. Однако, применяя отрицательную обратную связь, необходимо проявлять определенную осторожность. Вырабатываемое нашим усилителем выходное напряжение Uвых в принципе находится в фазе с напряжением U. На высоких частотах может произойти определенный сдвиг фазы, и если различие в фазе между выходным и входным напряжением достигнет 180°, отрицательная обратная связь превратится в положительную. Тогда взамен положительных качеств отрицательной обратной связи мы получим все недостатки положительной, правда, эти недостатки сопровождаются увеличением коэффициента усиления, но это может принести пользу, если усиление на частотах, где сдвиг фазы достиг 180°, не очень большое. В противном случае устройство начинает генерировать. Чем выше коэффициент отрицательной обратной связи мы хотим получить, тем больше внимания следует уделить проблеме сдвига фазы.

Н. — Это напоминает мне одно происшедшее со мной неприятное приключение. Однажды я сделал усилитель с отрицательной обратной связью, который прекрасно работал до тех пор, пока я не заменил в нем одну из ламп на аналогичную, но имевшую слишком большой коэффициент усиления, — усилитель сбесился и очень странно зашумел наподобие корабельного двигателя.

Л. — На этот раз генерирование произошло на очень низких частотах. Твой усилитель несомненно не является усилителем постоянного тока, и поэтому на очень низких частотах произошел сдвиг фазы между выходным и входным напряжениями (рис. 146, б). При первоначальном умеренном усилении (сплошная линия на рис. 146, а) ты не мог услышать колебаний во всей полосе частот. При увеличении усиления (пунктирная линия на рис. 146, а) ты увеличил коэффициент отрицательной обратной связи и превысил предел, на котором происходит самовозбуждение усилителя.

Рис. 146. На низких частотах усиление усилителя снижается (а), а сдвиг фазы увеличивается (б). На определенной частоте сдвиг фазы достигает 180°. Если на этой частоте коэффициент усиления меньше единицы (сплошная линия), то обратная связь не приводит к самовозбуждению. Если при повышении коэффициента усиления (пунктирная линия) он оказывается больше единицы на частотах, где произошел сдвиг фазы на 180°, то схема начинает генерировать.

Н. — По-видимому, так и было, а я никак не мог понять, почему мой усилитель плохо пропускал низкие частоты.

Л. — Отчасти это верно, хотя проблема в основном заключается не в усилении, а в сдвиге фазы. Этот сдвиг порождается переходными цепочками связи RС, соединяющими анод одной лампы с сеткой следующей.

Н. — В этом случае я мог исправить положение, увеличив емкость всех этих конденсаторов.

Л. — Я внес бы небольшое исправление в твой метод, а именно, следовало бы увеличить емкость всех конденсаторов за исключением одного. Доказательство этого положения потребовало бы очень сложных расчетов, но ты можешь понять его значение, если я тебе скажу, что максимальный сдвиг фазы, который может внести одна цепочка связи RC, достигает 90°.

Кроме того, цепочка связи ослабляет сигнал, и это ослабление увеличивается со снижением частоты. Если при неизбежном ослаблении можно снизить частоту так, чтобы другие цепочки связи не внесли значительного сдвига фазы, следует на частотах, на которых общий сдвиг фазы достиг 180°, уменьшить коэффициент усиления усилителя ниже критической величины, на которой возникает самовозбуждение.

Н. — О, это чрезвычайно сложно! Здесь, как и в истории с фазами, сложность становится ужасной.

Л. — Ты в известной мере прав. Проблемы, связанные с фазами, часто оказываются весьма трудными, что осложняется еще и тем, что многие еще не привыкли их решать.

Н. — Теперь я начинаю понимать аналогию между сервомеханизмами и усилителями с отрицательной обратной связью. Можно сказать, что предложенная тобой для вращения антенны система, как опытный лоцман, приводит ее к такому состоянию, когда разность потенциалов движков потенциометров станет равной нулю. А твой усилитель (рис. 145) также «управляет» своим выходным напряжением до тех пор, пока разность между напряжением Uвх и 1/50 выходного напряжения не станет практически равна нулю или, вернее сказать, не будет соответствовать требованию входа усилителя.

Л. — Ты прекрасно понял, Незнайкин, должен признать, что твое прозвище тебе все меньше и меньше подходит. Сегодня ты в отличной форме!

Н. — Прошу тебя обходиться без комплиментов, я всегда такой.

Л. — Ну, хорошо, пользуясь предоставившимся случаем, я напомню тебе, что в рассмотренных ранее схемах мы уже встречались с отрицательной обратной связью и говорили о ее положительных качествах. Помнишь ли ты системы, которые мы использовали для снижения выходного сопротивления усилителя?

Н. — Да, ты говорил мне о катодном и об эмиттерном повторителях. Я помню также странную схему, которую ты назвал «суперэмиттерный повторитель» (см. рис. 50).