Кружно појачање у електронским колима

Код појачавача са повратном спрегом или реакцијом, како се повратна спрега често назива, сигнал на улазу појачавача не зависи само од сигнала побуде, већ и од сигнала који је враћен са излаза на улаз. На овај начин, поред преноса сигнала од улаза ка излазу, код појачавача са повратном спрегом обезбеђен је и повратни ток или реакција сигнала од излаза према улазу и његово дејство на улазу. Унилатералном појачавачу додато је коло преко кога се сигнал са излаза појачавача враћа на улаз и сабира са улазним сигналом. Ово коло се назива коло повратне спреге.

Историја

У потрази за решењем појачавача са стабилним појачањем који би се користио у телекомуникационим примопредајницима Харолд Блек је, радећи у лабораторијама Bell Telephone System, 1928. године патентирао негативну повратну спрегу. Данас се различите форме технике повратне спреге користе у готово свим електронским системима. Термин повратна спрега (енгл. feedback) толико се одомаћио да је ушао и у опште речнике. Овде се говори о концепту повратне спреге који је од непроцењиве користи у пројектовању електронских појачавача. Међутим, овај концепт користи се и у другим областима, а посебно у системима аутоматског управљања.

Применом негативне повратне спреге смањује се појачање појачавача или, прецизније речено, појачање појачавача се подешава на жељену вредност, али се, у жељеном смеру, модификују и многе друге карактеристике појачавача. Коришћењем негативне повратне спреге може се проширити фреквенцијски пропусни опсег појачавача и смањити нелинеарна изобличења која уноси појачавач. Применом негативне повратне спреге могу се модификовати и улазна и излазна отпорност појачавача. Уз све то, негативна повратна спрега смањује осетљивост појачања појачавача на промене параметара компоненти које су коришћене у његовој реализацији, као и осетљивост појачања на спољашње утицаје као што је промена температуре и др. Коришћењем технике повратне спреге могуће је на једноставан начин, дакле економично, реализовати појачавач високих перформанси при чему се не захтева висока линеарност и прецизност саставних делова оваквог појачавача.

Врсте повратне спреге

Појачање појачавача са повратном спрегом, Ar, може, по апсолутној вредности, бити мање или веће од појачања појачавача без повратне спреге А. Када је Ar < A повратна спрега је негативна. Другим речима, негативна повратна спрега смањује појачање, тј. појачање појачавача са негативном реакцијом мање је по апсолутној вредности од појачања појачавача без реакције.

Позитивна повратна спрега повећава појачање појачавача, тј. појачање појачавача са позитивном реакцијом веће је по апсолутној вредности од појачања појачавача без реакције. Да би реакција била негативна, модуо функције реакције мора бити већи од 1 (1+ βА > 1) .

Кружно појачање

Обиљежимо сигнал на улазу у појачавач са X, на излазу појачавача са Xо, а на улазу појачавача заједно са повратном спрегом са Xi. На улазу кола повратне спреге имамо излазни сигнал из појачавача Xо, а на излазу кола преко кога се остварује повратна спрега сигнала је Xr. Коло повратне спреге на улаз појачавача је прикључено тако да је:

X = Xi+Xr

Дакле, сигнал на улазу појачавача једнак је збиру улазног и враћеног сигнала. У зависности од тога шта је улазни и шта излазни сигнал (напон или струја) преносна функција А може бити: појачање напона Au, појачање струје Ai, преносни отпор Rm или преносна проводност Gm. Преносну функцију повратног кола називамо коефицијент повратне спреге. У зависности од тога шта је Xо и Xr, она је: однос два напона (слабљења напона) однос струја (слабљење струје), повратни отпор или повратна проводност.

У општем случају преносна функција не мора бити реална. Она може бити врло сложена функција, нарочито, ако је појачавач сложен, ако се састоји из више појачавачких степени. Међутим, да би упростили анализу и боље схватили суштину повратне спреге анализирати ћемо повратну спрегу у подручју средњих фреквенција у ком је појачање реална величина са знаком + ако је излазни сигнал у фази са улазним, односно се знаком -, ако је излазни помјерен за 180° у односу на улазни. Исто тако ћемо сматрати да је и β реална величина са знаком + ако су у повратном колу не мијења фаза, а са знаком -, ако се фаза мијења за 180°. Осим тога, ограничићемо се на анализу кола код којих можемо сматрати да се кроз појачавач сигнал преноси само од улаза ка излазу, а кроз коло повратне спреге само од излаза на улаз појачавача. Претпоставићемо још да фактор повратне спреге не зависи од отпора генератора и потрошача.

Анализом послиједње једначине се види да појачање појачавача са повратном спрегом зависи од произвога βА. Овај производ називамо кружним појачањем појачавача. Откачимо на улазу повратну спрегу, и израчунајмо појачање од улаза појачавач до излаза из кола повратне спреге.

Будући да је излаз кола повратне спреге везан за улаз појачавача и на тај начин начињен затворен круг, то се производ појачања βА назива: кружно појачање.

0 < βА < 1

Узмимо сада да је βА величина већа од нуле - позитивна величина, али мања од јединице. Тада је именитељ на десној страни једначине за појачање кола са реакцијом Ar, мањи од јединице, па је појачање са повратном спрегом већа од појачања појачавача без повратне спреге. У том случају враћени сигнал са излаза има већу фазу као и улазни сигнал, па је сигнал на самом улазу у појачавач повећан, што доводи до повећања и излазног напона.

Повратну спрегу код које је βА позитивно и враћени сигнал позитиван називамо позитивном повратном спрегом. Уколико је кружно појачање веће, толико је појачање са повратном спрегом Ар веће. Највеће појачање ће се имати када је кружно појачање βА једнако јединици. Тада је именитељ у једначини за Ar једнак нули, па је појачање Ар бесконачно велико. То значи да улазни сигнал може бити једнак нули, а да ипак, на излазу постоји сигнал. Другим ријечима, појачавач сам себе побуђује, те се претвара у осцилатор.

βА > 1

За βА > 1, појачање са повратном спрегом је супротног знака од појачања појачавача без повратне спреге, што значи да излазни напон промјени фазу заπрадијана. Физички то нема смисла. Да бисмо видјели шта ће тада да се деси почнимо поново да повећавамо повратну спрегу полазећи од βА = 0. Одражавамо при томе константан доведени улазни сигнал. Повећавајући βА, односно повећавајући враћени сигнал, све је већи сигнал на улазу појачавача А па ће бити већи сигнал и на излазу. Растући, амплитуда излазног сигнала ће достићи величину напона напајања, па даљим повећањем повратне спреге тј. повећањем враћеног сигнала, излазни сигнал се не може повећавати.

Да би показали колико негативна повратна спрега стабилише појачање узимамо да је кружно појачање негативно (негативна повратна спрега) и да је –βА>>1. Тада у изразу 1-βА број један можемо занемарити, па је код таквог појачања са негативном повратном спрегом

Како β може бити стабилно, ако коло повратне спреге остваримо помоћу отпора, то појачање појачавача са повратном спрегом све док је –βА >> 1 не зависи од промјене појачања А.

Појачавач обично у себи има и реактивне елементе, тако да појачање није реална величина. Исто тако и фактор повратне спреге не мора бити реална величина. Према томе ни кружно појачање није реална величина. Због тога ће осцилације у појачавачу бити оне фреквенције при којој је кружно појачање једнако јединици (или веће од јединице), али реално. Односно, оне фреквенције при којој је враћени сигнал у фази са побудним сигналом. Кружно појачање не треба да је веће од јединице, или бар не много веће од јединице, јер тада појачавач ради у области закривљености своје преносне карактеристике, па ће осцилације бити изобличене. Осцилатор ће, поред основног хармоника, давати и више хармонике. Уколико се за осцилатор употријеби појачавач са осцилаторним колима, осцилаторно коло (или осцилаторна кола) ће пригушити више хармонике. Овакви осцилатори могу радити и са јачом повратном спрегом.

Није добро ни када је кружно појачање једнако јединици. Тада је повратна спрега критична, па ће било какве промјене параметара елемената у осцилатору, које доведе до смањења кружног појачања учинити да осцилатор престане са радом, јер ће повратна спрега бити недовољна за одржавање осцилација.

На крају можемо извести општи закључак: повратна спрега мора бити таква да је кружно појачање за мале сигнале веће од јединице (βА > 1), како би појачавач радио стабилно, али не и сувише веће од јединице, како излазни сигнал не би био изобличен.

Литература

• Електроника III: Сејфудин Агић Јасмина Омердић
• Увод у Електронику: V. Дрндаревић

Спољашње везе

• Електротехнички факултет Подгорица
• Један од најбољих домаћих сајтова Архивирано на сајту Wayback Machine (25. април 2012)