Опасные связи

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Согласно определению, отрицательная обратная связь — это связь выхода со входом, при которой часть выходного сигнала вычитается из входного,

8 противоположность отрицательной, в случае положительной обратной связи часть выходного сигнала со входным сигналом суммируется. Эти опре­деления справедливы не только для усилителей и других электронных уст­ройств, но и во всех других случаях, когда обратная связь имеет место. В об­щем случае можно воздействие обратной связи на некую систему описать так: наличие отрицательной обратной связи повышает ее устойчивость, на­личие положительной — наоборот, ведет к неустойчивости.

Впервые использовать принцип обратной связи в электронных усилителях с целью повышения их линейности, устойчивости и других эксплутационных ха­рактеристик предложил американский инженер, сотрудник Лабораторий Белла (Bell,Labs) Харольд Блэк в 1927 г. О сложности предмета говорит тот факт, что первый патент Блэка с описанием его усилителя имел объем целых 87 страниц, а всего он получил 347 патентов. Построение общей теории обратных связей было завершено математиком Хендриком Ваде Боде к 1945 г. В 1948 г. Нор-берт Винер в своей знаменитой «Кибернетике» впервые показал, как использо­вать принцип обратной связи при рассмотрении любых систем — технических, биологических, социальных и пр.

Принцип действия обратных связей можно пояснить, скажем, на примере классической взаимосвязи спроса и предложения в экономике. Предполо­жим, у нас имеется некая фирма, которая состоит из производственных структур и каналов сбыта. На входе такой системы — задание на производство, на выходе— объем произведенной продукции. Сколько нужно произво­дить товара? Естественно, столько, скблько его могут потребить. В идеаль­ной системе происходит следующее: фирма производит один экземпляр товара и, как только его покупают, немедленно выдает на прилавок сле­дующий экземпляр. Если фирма произведет два экземпляра, и один из них на прилавке задержится, то производство приостанавливается до тех пор, пока этот экземпляр не купят. Здесь мы наблюдаем типичное действие от­рицательной обратной связи, роль которой играет спрос: лежащий на при­лавке экземпляр товара как бы вычитается из задания на производство, и оно приостанавливается. Такая система очень устойчива и к тому же обладает множеством приятных свойств: не имеет перерасхода энергии и мате­риалов, не приводит к перепроизводству или, в пределах мощности произ­водства, наоборот, к дефициту. Объем перепроизводства может составить максимум один экземпляр, который придется выбросить, если спрос на не­го упал до нуля. Интересно, что примеры таких близких к идеалу произ­водств можно встретить и в реальной жизни: это, скажем, торговля горячей выпечкой, когда следующий пирожок изготавливается только, если преды­дущий уже купили.

Но в большинстве случаев в реальной жизни все обстоит гораздо сложнее — и прямых, и обратных связей существенно больше одной, реакция на спрос не может быть мгновенной, да и система не изолирована от всей остальной экономики. Разберем, например, что произойдет с нашей идеальной систе­мой, если производство не может остановиться и возобновить работу мгно­венно, или, что то же самое, сведения об изменении спроса поступают не сразу, а с некоторым запаздыванием. Предположим, фирма делает 10 экземп­ляров товара в день, и указанное запаздывание составляет также 1 день. До­пустим, в какой-то из дней спрос упал на 2 штуки. Из-за запаздывания реак­ции на изменение спроса в этот день фирма произведет по-прежнему 10 штук, так что на следующее утро на прилавке их окажется 12. Если в этот день спрос по прежнему будет составлять 8 штук, то к следующему утру на при­лавке окажется те же 12 экземпляров (8 произведенных— фирма отреагиро­вала на изменение, плюс 4 оставшихся от предыдущего дня).

В этот день фирма отреагирует и произведет всего 8 экземпляров. Но пред­положим, что в этот день спрос внезапно возрос и составил 12 экземпляров, то есть все имеющиеся раскуплены. На следующее утро на прилавке будет 8 штук (произведенных накануне), и если спрос сохранится, то 4 из 12 гипо­тетических клиентов уйдут неудовлетворенными. Им предложат зайти через два дня, и на следующий день фирма вынуждена будет произвести 4+ 12= 16 экземпляров товара! Легко сообразить, что будет происходить дальше с производством и удовлетворением спроса: система будет раскачи­ваться все сильнее и сильнее, пока в дело не вступят естественные ограниче­ния: объем производства не может быть меньше О штук и больше фактиче­ской мощности производства (в случае электронных систем роль таких ограничений выполняет напряжение питания или достижимая мощность вы­ходного каскада усиления). Работоспособность системы будет полностью нарушена — отрицательная обратная связь превратилась в положительную.

Поскольку реальные системы не могут иметь нулевое запаздывание по цепям прямой и обратной связи, возникает вопрос: какие меры нужно принять для того, чтобы система не раскачивалась все сильнее и сильнее? Обсуждение теории устойчивости систем с обратной связью в общем случае (скажем, из­вестного метода Найквиста) увело бы нас слишком далеко, однако практиче­ские меры в простых системах не так уж и сложны. В основном они сводятся к тому, чтобы ограничить коэффициент усиления исходной системы и/или глубину обратной связи на таких частотах, когда отрицательная обратная связь начинает превращаться в положительную. Иными словами, чтобы фа­зовый сдвиг части выходного сигнала, поступающей обратно на вход, отно­сительно самого входного сигнала не достигал бы близких к 180° величин при сравнимой или даже большей входного сигнала амплитуде этой части (поглядите на графики суммирования синусоидальных сигналов в главе 4, чтобы лучше понять, в чем тут дело).

Грубо эти частоты можно оценить следующим образом: если задержка сигнала в ОУ составляет 1 мкс, то (при мгновенной обратной связи, как это имеет место в случае ее осуществления с помощью резистивного делителя) это значит, что при подаче сигнала частотой около 1 МГц с выхода на вход усилителя фазовый сдвиг составит ровно 180°, и усилитель будет раскачиваться неограниченно. Значит, нужно сделать так, чтобы усиление самого усилителя без обратной свя­зи еще задолго до достижения указанной частоты падало и становилось рав­ным единице ровно на частоте, соответствующей задержке. Это и есть т. н. коррекция усилителей. Причем чем выше установленный с помощью обратной связи коэффициент усиления (то есть чем меньше глубина обратной связи), тем выше допустимый порог по предельной частоте исходного усилителя — это обусловлено тем, что на вход при росте этого коэффициента передается мень­шая часть выходного сигнала. Разница между фазой входного сигнала ОУ по­сле суммирования и 180 градусами называется «запас по фазе»— если он не­велик, то при прохождении через усилитель, скажем, сигнала прямоугольной формы на выходе могут наблюдаться выбросы или даже небольшие колебания по фронту и по спаду выходного напряжения.

Наибольшую опасность несет в себе режим с установленным коэффициентом усиления, равным единице (то есть использование ОУ в качестве повторите­ля). Роберт Видлар был сторонником того, чтобы переложить заботу о кор­рекции ОУ на плечи пользователей, и первые его конструкции ОУ (напри­мер, цА702, выпускавшийся в нашей стране под названием 140УД1, или получивший широкую известность цА709) имели специальные выводы для коррекции с помощью внешних резисторов и конденсаторов. Разработчик мог в некоторых пределах выбирать ширину полосы пропускания частот в зависимости от установленного коэффициента усиления. Практически же этим никто не пользовался (подобно тому, как подавляющее большинство пользователей компьютерных программ работают с установками, введенны­ми в них разработчиками по умолчанию), и такая возможность только приво­дила к необходимости введения в схему лишних компонентов. Так что в на­стоящее время выводы для внешней коррекции сохранились лишь для некоторых моделей высокочастотных ОУ, где полоса частот — действитель­но критичный фактор.

Заметки на полях

Кстати, а каковы в свете всего изложенного могут быть рекомендации нашим предпринимателям из производственной фирмы? Они совершенно аналогич­ны методам для обеспечения стабильности ОУ — нужно ограничить глубину обратной связи и коэффициент усиления на высоких частотах. Проще говоря, им следует при наличии запаздывания не пытаться реагировать на каждый проданный или непроданный экземпляр, а выпускать некое среднее количест­во товара в сутки, изменяя его только, когда изменился средний объем продаж за промежуток времени, значительно больший времени реакции производст­ва — это равносильно ограничению усиления на высоких частотах. Если вы попробуете повторить рассуждения про нашу фирму, введя время реакции производства, скажем, на среднее за неделю количество проданных в сутки экземпляров, а не реагируя на продажи за каждые сутки, как ранее, то вы уви­дите, что система стала значительно устойчивее, хотя на ее выходе и могут наблюдаться некоторые высокочастотные колебания — то есть количество то­варов на прилавке может колебаться с частотой несколько экземпляров в день, но в среднем будет примерно следовать за колебаниями спроса.

Кстати, по всем этим причинам большинство ОУ представляет собой низко­частотные приборы: обычная частота единичного усиления f\ (то есть частота, на которой собственный коэффициент усиления снижается до 1) для распро­страненных типов не превышает 1—3 МГц. Например, для использованного в схеме лабораторного источника (глава 9) древнего цА741 эта частота равна 0,8 МГц. Для некоторых моделей ОУ, специально предназначенных для уси­ления постоянного тока и медленно меняющихся сигналов, частота f\ еще меньше — скажем, для очень хорошего прецизионного ОУ МАХ478/479 она равна всего 60 кГц. С другой стороны, есть и быстродействующие ОУ, для которых /i достигает десятков МГц. С частотой единичного усиления тесно связана другая характеристика ОУ — скорость нарастания выходного сигнала.

Не забудем также, что в реальных системах часто могут иметь место много­численные т. н. паразитные обратные связи, учет которых весьма затруднен, если вообще возможен. Именно наличие таких связей приводит к «гудению»

УМЗЧ даже в том случае, если с основными связями все в порядке, и в том числе именно для борьбы с этим явлением ставят развязывающие конденса­торы по питанию.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты