Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Т-197. Отрицательная обратная связь по переменному току позволяет уменьшать нелинейные искажения. Во всех популярных книжках о кибернетике можно встретить имя английского мальчика Гемфри Поттера, который, как полагают, первым догадался применить в машине обратную связь. Было это лет двести назад, Гемфри работал на одной из шахт южной Англии, занимая удивительную должность: на большом насосе для откачивания воды он работал открывателем кранов. Насос приводился в движение паром, и мальчик целый день делал одно и то же: поворачивал рукоятку крана, направляя пар то в одну часть парового цилиндра, то в другую, заставляя таким образом поршень двигаться то в одну сторону, то в другую. В какой-то момент мальчик сообразил, что поршень может сам управлять своей работой. Гемфри довольно простым способом соединил кран с поршнем так, что поршень, двигаясь сам, стал поворачивать рукоятку крана, сам стал сообщать крану, в каком положении он, поршень, находится и куда нужно пустить пар. Это была обратная связь, обратное влияние следствия на причину, влияние движущегося поршня на давление пара, который приводил поршень в движение.

Хотя Гемфри Поттер и вошел в историю техники, справедливости ради нужно отметить, что обратная связь применялась еще до того, как мальчик связал веревочкой края парового насоса с поршнем. Причем задолго до того. Достаточно вспомнить, что обратные связи на каждом шагу встречаются в живых организмах, которые миллиарды лет обитают на нашей планете. Сотни, тысячи систем с обратной связью работают в каждом из нас. Сердце гонит кровь через легкие, где она получает кислород, а управляет работой сердца, в числе других факторов, уровень насыщения крови кислородом. Это и есть обратная связь — следствие (насыщение кислородом) влияет на причину (скорость кровотока). Еще пример: химический состав крови, в частности содержание углекислого газа в ней, влияет и на частоту дыхания (при чина), а значит, в итоге на процессы газового обмена крови с воздухом (следствие) в легких.

Очень широко используются обратные связи в технике, в частности в электронике. Один из примеров нам уже знаком — это генератор с самовозбуждением. Небольшая часть энергии, переданная по цепи обратной связи с выхода транзистора на его вход, дает указания, как нужно «открывать кран», как нужно менять напряжение на базе (причина), чтобы поддержать изменения коллекторного тока (следствие). Используется обратная связь и в усилителях низкой частоты, но, в отличие от генераторов, уже не положительная обратная связь (Р-97;3,4), а отрицательная (Р-97;5). Это значит, что сигнал обратной связи U_ос не помогает, а мешает поступающему с предыдущего каскада сигналу U_сиг, действует с ним в противофазе, уменьшает общее напряжение U_вх на входе усилителя (Р-114;1).

Можно сразу сказать, что отрицательная обратная связь снижает усиление каскада — раз ослабляется входной сигнал, то уменьшается и выходной, слабее становится «мощная копия». Но зато отрицательная обратная связь позволяет делать то, чего никаким иным способом добиться не удалось бы, — она позволяет снизить нелинейные искажения, которые появляются в каскаде. Крайне упрощенно это показано на Р-114;2.

Р-114

Все дело в том, что отрицательная обратная связь приносит на вход не только основной сигнал, но все его новые составляющие, которых там не было, они появились в результате искажений. Причем они действуют на входе в такой фазе, что сами ослабляют посторонние составляющие коллекторного тока. Конечно же, и мы сразу это признали, одновременно ослабляется и основной сигнал. Но такую неприятность можно скомпенсировать, подав несколько больший сигнал от предыдущего каскада. И, заплатив некоторым количеством, некоторым дополнительным усилением, можно выиграть качество, выиграть верность воспроизведения звука, естественность звучания. Особенно нужна отрицательная обратная связь в выходных каскадах, работающих в классах В и АВ, так как в них из-за сложных операций с сигналом, из-за его разрезания и сшивания легче всего могут появляться нелинейные искажения.

Иногда отрицательной обратной связью охватывают один каскад усилителя, а иногда сразу несколько каскадов (К-13). При этом существует четыре варианта обратной связи, к которым в итоге сводится все многообразие схем. Вот эти четыре варианта: последовательная и параллельная обратная связь по напряжению и последовательная и параллельная обратная связь по току. Слова «последовательная» и «параллельная» говорят о том, каким способом обратная связь вводится во входную цепь: последовательно с источником сигнала или параллельно ему. А слова «по напряжению» и «по току» говорят о том, как сигнал обратной связи получают с выхода усилительного каскада.