Электроника?.. Нет ничего проще!

Л. — Но именно вычитание и происходит, когда ты подаешь напряжение на катод лампы. Это подключение дает такой же результат, как если бы это напряжение с обратным знаком подать на сетку, так как в лампах имеет значение только разность потенциалов между сеткой и катодом. А теперь сравни блок-схему на рис. 143 со схемой, которую я вычертил для тебя на рис. 145.

Рис. 145. Отрицательная обратная связь в усилителе осуществляется путем вычитания из входного напряжения части выходного напряжения. Такой усилитель представляет собой систему автоматического регулирования.

Как ты видишь, входное напряжение представляет собой не что иное, как разность между истинным входным напряжением U_вх и частью выходного напряжения U_вых. Часть выходного напряжения U_вых поступает на вход через аттенюатор с коэффициентом передачи (меньше единицы). Полученное напряжение U_вых с аттенюатора поступает на один вход «разностной схемы», а на другой вход этой схемы подается входное напряжение U_вх.

Н. — Ты мне уже рассказывал о схеме ИЛИ, о схеме И, но я пока еще ничего не слышал о «разностной схеме».

Л. — Эта схема не относится к категории логических. Ее можно сделать, например, на одной лампе, на сетку которой подается напряжение U_вх, а на катод — напряжение U_вых; анодным током лампы управляет разность этих напряжений U = U_вх — U_вых.

Н. — Теперь я достаточно хорошо разобрался в твоей схеме, но я совершенно не понимаю, какую пользу она может нам дать.

Польза отрицательной обратной связи

Л. — Сейчас ты увидишь. Представь себе, что усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления (т. е. отношение U_вых/U). Значит, для получения выходного напряжения U_вых достаточно подать на вход чрезвычайно малое напряжение U, Следовательно, можно сказать, что напряжение U, представляющее собой разность между входным напряжением U_вх и напряжением U_вых, практически ничтожно мало по сравнению с каждой из этих величин. Это означает, что они равны или почти равны одна другой, т. е. можно сказать, что практически U_вх = U_вых. Возьмем для наглядности числовой пример.

Предположим, что исходный коэффициент усиления нашего усилителя 10 000, значит, для получения выходного напряжения 10 в на входе необходимо иметь напряжение 1 мв. Предположим, что аттенюатор ослабляет сигнал в 50 раз, иначе говоря, что его коэффициент передачи = 0,02. По этим данным можно рассчитывать, что при выходном напряжении U_вых = 10 в напряжение U_вых равно 200 мв. Для получения U = 1 мв необходимо иметь входное напряжение U_вх = 201 мв, тогда разность между U_вх и U_вых составит 1 мв.

Н. — Я легко понял твои объяснения, но до сих пор вся «выгода» от твоей отрицательной обратной связи свелась к необходимости иметь входное напряжение в 201 раз больше, чем при непосредственной подаче на вход усилителя. Может быть в этом и есть определенный смысл, но должен признаться, что я его не вижу.

Л. — Ты отчасти прав. В самом деле, при использовании отрицательной обратной связи требуется повышенное входное напряжение, но этот недостаток существенного значения не имеет, так как всегда можно повысить первоначальное усиление. Но ты очень скоро обнаружишь преимущества этой системы. Назови, пожалуйста, Незнайкин, основные недостатки усилителя.

Н. — Прежде всего, на мой взгляд, следует сказать, что он обходится дорого, а собирать его очень скучно.

Л. — Задавая свой вопрос, я имел в виду не эти недостатки, а несовершенства электрической схемы.

Н. — Тогда, я полагаю, что ты намекаешь на вносимые усилителем искажения и на то, что его полоса пропускания не так широка, как хотелось бы, иначе говоря, на то, что иногда усилитель пропускает очень высокие и очень низкие частоты не так хорошо, как средние.

Л. — Ты совершенно правильно сформулировал мою мысль. Если вдуматься, то несомненно заметишь, что оба эти недостатка возникают вследствие изменения коэффициента усиления. Плохая передача слишком высоких или слишком низких частот определяется изменением усиления в зависимости от частоты. Если бы усиление изменялось в зависимости от амплитуды, то возникали бы нелинейные искажения.

А теперь посмотри изображенную на рис. 145 схему: новый коэффициент усиления очень близок к 50 (10 в на выходе при 201 мв на входе). Представь себе, что в силу каких-то причин коэффициент усиления усилителя снизился в 10 раз. Тогда для получения на выходе 10 в на вход нужно подать уже не 1 же, а 10 мв. Но в этом случае напряжение U_вых останется, как и раньше, 200 мв. В этих условиях для получения U = 10 мв необходимо увеличить напряжение U_вх с 201 до 210 мв. Иначе говоря, новый коэффициент усиления всего устройства теперь будет не 50, а 10/0,21 = 47,6, что соответствует снижению по сравнению с первоначальной величиной примерно на 4,2 %. Как ты видишь, при очень большом изменении коэффициента усиления усилителя коэффициент усиления всего устройства изменился незначительно. Следовательно, наша схема позволила сделать коэффициент усиления весьма стабильным.

Коэффициент усиления равен обратному значению коэффициента ослабления

Н. — Но коэффициент усиления будет стабильным только при условии сохранения на неизменном уровне ослабления сигнала, вносимого аттенюатором.

Л. — Очень хорошее замечание. Но не забывай, что получить в высшей степени стабильное ослабление совсем нетрудно. Такую задачу можно, например, выполнить с помощью делителя напряжения на резисторах, введя в него в случае надобности небольшие конденсаторы для компенсации вредного воздействия паразитных емкостей. Очень легко сделать аттенюатор, делящий напряжение в 50 раз в очень широкой полосе частот и при сильно изменяющихся значениях входного напряжения. Иначе говоря, теперь коэффициент усиления всего устройства U_вых/U_вх равен обратному коэффициенту ослабления аттенюатора, т. е. 1/. Таким образом, нам удалось сделать коэффициент усиления исключительно стабильным. [21]

21

Это следует из соотношения U_вх ~= U_вых или U_вых/U_вх ~= 1/. (Прим. ред.)

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 U_вых, 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 _k, которую называют коэффициентом отрицательной обратной связи. В нашем числовом примере этот коэффициент равен 200 [22] .

22

k = (U_вых/U), что в указанном примере составляет 10 000, следовательно, _k = 0,02·10⁴ = 200/ (Прим. ред.)