Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej	Laboratorium Teorii Obwodów
^Wykonał Krzysztof Krzemiński Arkadiusz Kuziak		^Grupa 9	^Ćw. nr 10	^Prowadzący Dr A.Jarząbek
Sprzężenie zwrotne		^Data wykonania 99. 10.19	^Data oddania 99.10.26	^Dzień wykonania Wtorek godz. 15^15

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest:

• zapoznanie się z podstawowym modelem układu sprzężenia zwrotnego,

• poznanie metod badania własności układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego na podstawie pomiaru układu z otwartą pętlą.

W ćwiczeniu należy:

• zmierzyć transmitancję układu otwartego,

• na podstawie sporządzonego diagramu Nyquista zbadać stabilność układu z zamkniętą pętlą,

• zbadać wpływ sprzężenia zwrotnego na wrażliwości parametrów układu.

WSTĘP TEORETYCZNY :

W układzie ze sprzężeniem napięcie wyjściowe z bloku o transmitancji H(s) po przejściu przez blok o transmitancji β(s) jest sumowane algebraicznie z napięciem wyjściowym (dodawane - sprzężenie zwrotne dodatnie lub odejmowane - sprzężenie zwrotne ujemne). Ponieważ obwód sprzężenia zwrotnego stanowi pętlę przepływu sygnałów, więc w niektórych przypadkach układ może być niestabilny.

Funkcja transmitancji układu ze sprzężeniem zwrotnym (w przypadku ujemnego sprzężenia zwrotnego)

gdzie L(s) oraz M(s) są rzeczywistymi wielomianami zmiennej zespolonej s. Do badania stabilności takiego układu można wykorzystać kryterium algebraiczne, zgodnie z którym warunkiem ścisłej stabilności układu jest warunek, aby wielomian M(s) był wielomianem Hurwitza. Korzystne byłoby sformułowanie kryterium umożliwiającego ocenę stabilności układu zamkniętego na podstawie pomiarów układu z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Jednym z takich kryteriów jest kryterium Nyquista. Po wprowadzeniu oznaczenia:

Q(s) = H(s)β(s)

Funkcję transmitancji można zapisać w postaci:

gdzie: F(s) = 1+Q(s)

Q(s) jest transmitancją otwartej pętli SZ. Wielkość ta jest nazywana stosunkiem zwrotnym, natomiast F(s) - różnicą zwrotną. O stabilności układu po zamknięciu pętli rozstrzyga następujące twierdzenie (Nyquista):

Jeżeli układ z otwartą pętlą, opisany stosunkiem zwrotnym Q(s) jest stabilny, to po zamknięciu pętli pozostanie on stabilny wtedy i tylko wtedy, gdy hodograf funkcji Q(s) na płaszczyźnie {Re Q(jω), Im Q(jω)} nie otacza punktu (-1, j0) i nie przechodzi przez ten punkt, przy czym hodograf jest otrzymany dla pulsacji zmieniających się od 0 do ∞.

Punkt (-1, j0) nazywa się punktem krytycznym, natomiast hodograf Q(jω) - diagramem Nyquista. Kryterium Nyquista wymaga zatem, aby diagram Nyquista nie otaczał punktu krytycznego.

Przykładowe diagramy Nyquista układu stabilnego i niestabilnego przedstawiono na rysunkach a i b.

„Miarę'' stabilności układu (w przypadku układu stabilnego) można oszacować wprowadzając pojęcie zapasu stabilności amplitudy ΔM i zapasu stabilności fazy Δφ. Miary te są zdefiniowane następująco:

Δφ = arg Q(jω₂) - π

gdzie ω₁ i ω₂ spełniają warunki:

arg Q(jω₁) = (2n - 1)π

Q(jω₂) = 1

Sens tych definicji ilustruje rys.2.

Powyższe rozważania pozostają słuszne dla dodatniego sprzężenia zwrotnego, ale punktem krytycznym jest wówczas punkt (1, j0) na płaszczyźnie {Re Q(jω), Im Q(jω)}.

Niech x będzie dowolnym parametrem w układzie o transmitancji H(s). Wrażliwość transmitancji H(s) na zmiany x definiuje się jako:

Podobnie, jeżeli y jest parametrem w układzie o transmitancji β(s), wrażliwość β(s) na zmiany y definiuje się następująco:

Wrażliwość T(s) na zmiany x definiuje się następująco:

W podobny sposób można wyliczyć
.

Często (m.in. ze względów pomiarowych) wygodne jest wprowadzenie wrażliwości T(s) na zmiany H(s) i β(s), a nie na zmiany parametrów tych układów. Bezpośrednio z definicji wrażliwości wynikają tożsamości:

z których wynika, że:

W praktyce, przy pomiarach wrażliwości, przyjmuje się, że:

WYKAZ PRZYRZĄDÓW :

• Generator funkcyjny 2830

• Miernik fazy PM-100 2szt.

• Multimetr V640 3szt.

• Oscyloskop ST-315A

• Zestaw laboratoryjny „Sprzężenie zwrotne”

PRZEBIEG ĆWICZENIA :

1. Pomiar charakterystyk układu z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego

Pomiary wykonuje się w układzie przedstawionym na rys. 3.

Rys. 3. Schemat układu pomiarowego

Wyniki pomiarów zamieszczone są w tabeli 1.

Tabela 1. Wyniki pomiarów dla układu z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego
f	U1	U2	U3	ϕ1	ϕ2	||	arg	|H|	argH	|Q|	argQ
[ Hz ]	[ V ]	[ mV ]	[ mV ]	[ deg ]	[ deg ]	[ V/V ]	[ deg ]	[ V/V ]	[ deg ]	[ V/V ]	[ deg ]
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
45,11	1	4,4	23	-96	-110	0,0044	-96	5,2270	-14	0,0230	-110
96,69	1	9,3	49	-98	-130	0,0093	-98	5,2690	-32	0,0490	-130
155,28	1	15,0	78	-100	-150	0,0150	-100	5,2000	-50	0,0780	-150
212,81	1	19,5	110	-104	-170	0,0195	-104	5,6410	-66	0,1100	-170
269,44	1	24,5	140	-107	170	0,0245	-107	5,7140	-83	0,1400	-190
316,03	1	28,5	170	-110	150	0,0285	-110	5,9650	-100	0,1700	-210
362,80	1	32,0	200	-112	130	0,0320	-112	6,2500	-118	0,2000	-230
406,07	1	32,5	230	-114	110	0,0325	-114	7,0770	-136	0,2300	-250
446,78	1	38,5	266	-116	90	0,0385	-116	6,9090	-154	0,2660	-270
489,17	1	41,5	305	-118	70	0,0415	-118	7,3490	-172	0,3050	-290
530,03	1	44,0	350	-120	50	0,0440	-120	7,9550	-190	0,3500	-310
571,35	1	47,0	400	-122	30	0,0470	-122	8,5110	-208	0,4000	-330
613,68	1	49,2	460	-124	10	0,0492	-124	9,3490	-226	0,4600	-350
652,90	1	50,5	520	-126	-10	0,0505	-126	10,297	-244	0,5200	-370
693,84	1	52,0	580	-127	-30	0,0520	-127	11,154	-263	0,5800	-390
735,50	1	53,0	675	-128	-50	0,0530	-128	12,736	-282	0,6750	-410
775,67	1	55,0	770	-130	-70	0,0550	-130	14,000	-300	0,7700	-430
813,05	1	57,0	850	-131	-90	0,0570	-131	14,912	-319	0,8500	-450
849,92	1	58,0	950	-132	-110	0,0580	-132	16,379	-338	0,9500	-470
885,06	1	59,0	1030	-133	-130	0,0590	-133	17,458	-357	1,0300	-490
921,83	1	61,0	1100	-134	-150	0,0610	-134	18,033	-376	1,1000	-510
955,78	1	62,5	1150	-136	-170	0,0602	-136	18,400	-394	1,1500	-530
994,61	1	63,0	1170	-137	170	0,0630	-137	18,571	-413	1,1700	-550
1025	1	65,0	1150	-138	150	0,0650	-138	17,692	-432	1,1500	-570
1061	1	66,0	1100	-139	130	0,0660	-139	16,667	-451	1,1000	-590
1099	1	67,0	1000	-140	110	0,0670	-140	14,925	-470	1,0000	-610
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1138	1	67,5	890	-142	90	0,0675	-142	13,185	-488	0,8900	-630
1183	1	68,0	750	-143	70	0,0680	-143	11,029	-507	0,7500	-650
1236	1	69,0	600	-144	50	0,0690	-144	8,696	-526	0,6000	-670
1296	1	70,0	470	-145	30	0,0700	-145	6,714	-545	0,4700	-690
1373	1	71,0	340	-146	10	0,0710	-146	4,789	-564	0,3400	-710
1469	1	72,5	230	-148	-10	0,0725	-148	3,172	-582	0,2300	-730
1591	1	74,0	150	-150	-30	0,0740	-150	2,027	-600	0,1500	-750
1761	1	76,0	90	-153	-50	0,0760	-153	1,184	-617	0,0900	-770
1984	1	78,0	50	-156	-70	0,0780	-156	0,641	-634	0,0500	-790
2280	1	80,0	25	-159	-90	0,0800	-159	0,313	-651	0,0250	-810
2692	1	82,0	12	-162	-110	0,0820	-162	0,146	-668	0,0120	-830
3191	1	83,0	5,5	-166	-130	0,0830	-166	0,066	-684	0,0055	-850
3716	1	84,0	2,7	-168	-150	0,0840	-168	0,032	-702	0,0027	-870
3975	1	84,5	2,2	-168	-160	0,0845	-168	0,026	-722	0,0022	-890
4451	1	85,0	1,2	-171	-130	0,0850	-171	0,014	-739	0,0012	-910
4583	1	85,0	1,1	-171	-110	0,0850	-171	0,013	-759	0,0011	-930
5305	1	85,0	0,6	-173	-90	0,0850	-173	0,007	-777	0,0006	-950

gdzie: U_H = U₁, U_ = U₂, U_H = U₃, ϕ_ = ϕ₁, ϕ_Hβ = ϕ₂.

Wzory użyte do obliczeń:

,

,

,

Przykładowe obliczenia:

|β| = 4,4⋅10^-3/1 = 0,044

argβ = -96°

|H| = 23/4,4 = 5,227

argH = -110° - (-96°) = -14°

|Q| = 5,227⋅0,044 = 0,230

argQ = -110°

Ponieważ w ćwiczeniu badaliśmy dodatnie sprzężenie zwrotne dlatego punktem krytycznym na diagramie Nyquista jest punkt (1, j0) - wykres 7b. Na podstawie tego diagramu można określić (rys. 2):

• zapas stabilności amplitudy:
  , gdzie
  

• zapas stabilności fazy:
  , gdzie
  

Podstawiając wartości wyznaczone na podstawie wykresu 7b, otrzymujemy:

Charakterystyki amplitudowe bloków H, β, Q = Hβ przedstawione są na wykresach odpowiednio 1, 3, 5, zaś charakterystyki fazowe tych bloków - na wykresach 2, 4, 6. Na wykresie 7 znajduje się diagram Nyquista układu z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Wykres 7b pokazuje sposób wyznaczania zapasów stabilności amplitudy i fazy z diagramu Nyquista.

2. Pomiar charakterystyk układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego

Pomiary wykonuje się w układzie przedstawionym na rys. 4.

Rys. 4. Schemat układu pomiarowego

Wyniki pomiarów zamieszczone są w tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki pomiarów dla układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego
f	U1	U2	U3	ϕ1	ϕ2	|T|	argT
[ Hz ]	[ V ]	[ mV ]	[ mV ]	[ deg ]	[ deg ]	[ V/V ]	[ deg ]
1	2	3	4	5	6	7	8
64,42	1	2,6	500	-120	-20	0,500	-20
130,00	1	5,4	490	-145	-40	0,490	-40
197,85	1	8,2	480	-169	-60	0,480	-60
265,08	1	11	490	-166	-80	0,490	-80
362,36	1	15,5	550	133	-110	0,550	-110
421,81	1	20,5	600	111	-130	0,600	-130
475,45	1	27	720	91	-150	0,720	-150
525,15	1	37,5	900	68	-170	0,900	-170
568,77	1	50	1170	45	170	1,170	-190
599,52	1	65	1450	25	150	1,450	-210
626,72	1	80	1700	4	130	1,700	-230
648,79	1	92	1800	-16	110	1,800	-250
668,19	1	95	1950	-35	90	1,950	-270
689,19	1	95	1900	-54	70	1,900	-290
714,06	1	87	1700	-76	50	1,700	-310
746,44	1	77	1450	-97	30	1,450	-330
787,40	1	65	1200	-130	10	1,200	-350
845,59	1	55	1000	-154	-10	1,000	-370
917,95	1	50	850	-166	-30	0,850	-390
1001	1	49	820	-170	-50	0,820	-410
1079	1	54	870	148	-70	0,870	-430
1144	1	62	950	126	-90	0,950	-450
1192	1	68	1050	106	-110	1,050	-470
1235	1	72,5	1100	84	-130	1,100	-490
1271	1	72	1050	64	-150	1,050	-510
1308	1	65	950	43	-170	0,950	-530
1351	1	52	770	21	170	0,770	-550
1421	1	37	570	1	150	0,570	-570
1491	1	23	360	-20	130	0,360	-590
1	2	3	4	5	6	7	8
1625	1	14	200	-42	110	0,200	-610
1838	1	7	92	-66	90	0,092	-630
2142	1	3,1	42	-92	70	0,042	-650
2619	1	1,2	16	-38	50	0,016	-670
3166	1	0,4	8	-98	30	0,008	-690

gdzie: U_H = U₁, U_ = U₂, U_T = U₃, ϕ_ = ϕ₁, ϕ_T = ϕ₂.

Wzory użyte do obliczeń:

,

Przykładowe obliczenia:

|T| = 500⋅10^-3/1 = 0,5

argβ = -20°

Charakterystyka amplitudowa bloku T przedstawiona jest na wykresie 8, charakterystyka fazowa zaś na wykresie 9.

3. Pomiar wrażliwości

Częstotliwość generatora ustawiamy w pobliżu częstotliwości środkowej układu i badamy wrażliwości transmitancji układu. Schematy pomiarowe przedstawione są na rys. 3 (dla otwartej pętli) i rys. 4 (dla zamkniętej pętli).

Pomiary wykonywano przy częstotliwości f = 1,1982 kHz oraz przy napięciu wejściowym U_H = U₁ = 1V.

Uzyskane wyniki:

W układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego

• bez ΔH i Δβ

U₂ = 69 [mV]

U₃ = 0,70 [V]

Zatem otrzymujemy:

• z włączonym ΔH

U₂ = 69 [mV]

U₃ = 0,74 [V]

Zatem otrzymujemy:

• z włączonym Δβ

U₂ = 71 [mV]

U₃ = 0,70 [V]

Zatem otrzymujemy:

W układzie z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego

• bez ΔH i Δβ

U₂ = 72 [mV]

U₃ = 1,07 [V]

Zatem otrzymujemy:

• z włączonym ΔH

U₃ = 1,30 [V]

Zatem otrzymujemy:

• z włączonym Δβ

U₃ = 1,15 [V]

Zatem otrzymujemy:

Możemy teraz obliczyć wrażliwości transmitancji:

Wrażliwość transmitancji T na zmiany H

• teoretyczna

• praktyczna

Wrażliwość transmitancji T na zmiany β

• teoretyczna

• praktyczna

4. Obserwacja niestabilnej pracy układu

Dobieramy tak warunki pracy układu, aby spowodować niestabilną jego pracę i na ekranie oscyloskopu obserwujemy kształt generowanego przebiegu.

Pracę niestabilną układ wykazywał przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym. Na ekranie oscyloskopu zaobserwowaliśmy przebieg sinusoidalny o częstotliwości f = 989 Hz i amplitudzie U_m = 9 V. Kształt i parametry tego przebiegu pokazane są na rysunku 5.

Rys. 5. Przebieg zaobserwowany podczas niestabilnej pracy układu

Zmieniając wartość H₀ od H_0min do H_0max nie zauważyliśmy zmian w częstotliwości, amplitudzie czy kształcie generowanego przebiegu.

WNIOSKI I UWAGI:

Sprzężenie zwrotne w układach elektronicznych polega na przekazywaniu części sygnału wyjściowego na wejście układu, gdzie sumuje się on z sygnałem wejściowym, modyfikując warunki sterowania. W liniowych układach elektronicznych ujemne sprzężenie zwrotne jest ważnym czynnikiem umożliwiającym uzyskanie pożądanej poprawy parametrów roboczych i właściwości układu (zmniejsza zniekształcenia nieliniowe, zwiększa szerokość pasma przenoszonych częstotliwości). Układ wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym charakteryzuje się ponadto mniejszymi zakłóceniami, większą stabilnością punktu pracy oraz większą stałością wzmocnienia. Większa szerokość pasma uzyskiwana we wzmacniaczach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym odbywa się kosztem wzmocnienia. Szczególnie ważną klasę układów ze sprzężeniem zwrotnym stanowią układy ze wzmacniaczami operacyjnymi, w których wykorzystuje się sprzężenie ujemne. Sprzężenie ujemne jest także wykorzystywane w stabilizatorach napięcia i prądu. Dodatnie sprzężenie zwrotne ma natomiast zastosowanie głównie w układach generacyjnych. Tematem naszego ćwiczenia było badanie sprzężenia zwrotnego.

W pkt. 1 ćwiczenia badaliśmy układ z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Wykorzystując diagram Nyquista (wykres 7) można stwierdzić, że badany obwód po zamknięciu pętli będzie stabilny. Kryterium Nyquista dla sprzężenia dodatniego (a takim się zajmowaliśmy) wymaga, aby dla układu stabilnego hodograf funkcji Q(jω) nie otaczał punktu (1, j0), zwanego punktem krytycznym, na płaszczyźnie {Re Q(jω), Im Q(jω)}. Obserwując wykres 7 można stwierdzić, że warunek ten został spełniony. Ponadto gdyby moduł transmitancji nie przekraczał 1, to układ byłby stabilny dla dowolnych przesunięć fazowych. Zapas stabilności amplitudy wyznaczony na podstawie wykresu 7b wynosi 1,923, a zapas stabilności fazy wynosi -128°.

Z charakterystyki amplitudowej bloku β (wykres 1) można przypuszczać, że blok ten jest filtrem pasmowoprzepustowym. Charakterystyka amplitudowa bloku H (wykres 3) wskazuje, że jest to wzmacniacz selektywny o częstotliwości środkowej 1 kHz i wzmocnieniu ok. 19 V/V. Z charakterystyki amplitudowej bloku Q = Hβ (wykres 5) można wnioskować, że sprzężenie zwrotne w układzie zamkniętym będzie najsilniejsze dla częstotliwości ok. 1 kHz, co powinno objawić się spadkiem wzmocnienia układu z zamkniętą pętlą. Potwierdza to zasadę, że im większe sprzężenie zwrotne, tym mniejsze wzmocnienie. Można także przypuszczać, że wzrost wzmocnienia bloku H powoduje wzrost wzmocnienia całego układu, zaś wzrost wzmocnienia bloku β powoduje zmniejszenie wzmocnienia układu.

W pkt. 2 ćwiczenia badaliśmy układ z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego. Jak już wspomniano, układ ten jest stabilny ze sprzężeniem dodatnim, co potwierdza diagram Nyquista układu otwartego. Z charakterystyk układu zamkniętego wyznaczonych w warunkach stabilnej pracy układu (wykresy 8 i 9) można odczytać, że maksimum wzmocnienia przypada dla częstotliwości ok. 670 Hz, choć duży skok wzmocnienia przypada również dla częstotliwości ok. 1230 Hz.

W pkt. 3 ćwiczenia badaliśmy wrażliwość transmitancji układu na zmiany H i na zmiany β. Porównując wartości teoretyczne z praktycznymi (S^T_β=2,57; S^T_β=2,58 oraz S^T_H=3,57, S^T_H=3,76) widzimy, że między tymi wartościami występuje różnica, które może być spowodowana tym, że różniczki dT, dH, dβ zostały zastąpione skończonymi przyrostami wartości, tzn. ΔT, ΔH, Δβ. Można także zauważyć, że gdy |H(jω)| → ∞, to wówczas wrażliwości S^T_H → 0, S^T_β → -1.

W pkt. 4 ćwiczenia badaliśmy niestabilną pracę układu. Wadą sprzężenia zwrotnego jest to, że w niektórych przypadkach układ może być niestabilny (zjawisko niepożądane) i zaczyna wzbudzać się. Wtedy pełni on funkcję generatora. Przy niestabilnej pracy układu na ekranie oscyloskopu zaobserwowaliśmy, że układ generuje przebieg sinusoidalny o częstotliwości 989 Hz i amplitudzie 9V. Zmieniając wartość transmitancji H₀ od H_0min do H_0max nie zauważyliśmy zmiany częstotliwości sinusoidy, zmiany jej amplitudy, czy wreszcie zmiany jej kształtu.

Przeprowadzone ćwiczenie polegało na zapoznaniu się ze zjawiskiem sprzężenia zwrotnego. Najczęstsze zastosowanie sprzężenia zwrotnego możemy znaleźć w takich dziedzinach techniki, jak elektronika, automatyka przemysłowa, czy motoryzacja. W elektronice największe korzyści z punktu widzenia poprawności pracy układów wnosi stosowanie ujemnych sprzężeń zwrotnych, które stanowią podstawę działania wielu układów takich jak: stabilizatory napięcia i prądu, układy na wzmacniaczach operacyjnych. Dodatnie sprzężenie zwrotne jest wykorzystywane głównie do budowy generatorów, gdyż dzięki niemu uzyskujemy wzbudzenie obwodu bez udziału czynników zewnętrznych.

Pierwsza część przeprowadzonego ćwiczenia polegała na sporządzeniu charakterystyk amplitudowych i fazowych bloków H i β dla układu z otwartą pętlą sprzężenia (wykresy nr 1,2,3,4,5, 6) oraz dla układu zamkniętego (wykresy nr 8,9). Z wykresu nr 1 (charakterystyka amplitudowa) widać, iż badany blok B jest filtrem górnoprzepustowym. Natomiast z wykresu nr 3 obrazującego charakterystykę amplitudową bloku H widzimy, że jest on filtrem pasmowoprzepustowym o wzmocnieniu dochodzącym do 19 przy częstotliwości około 1 [kHz]. Wyznaczone transmitancje poszczególnych bloków są zależne od częstotliwości tego sygnału. Ocena stabilności układu na podstawie kryterium Nyquista wykazała, że układ z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego przy zadanym wcześniej wzmocnieniu bloku H jest stabilny, o czym świadczy hodograf funkcji Q(s) = H(s) ⋅B(s). W oparciu o wykres Nyquista został wyznaczony zapas stabilności amplitudy ΔM = 1,923 oraz zapas stabilności fazy Δϕ = -128° (dla dodatniego sprzężenia zwrotnego). Z charakterystyki amplitudowej iloczynu Q(s) wynika, że sprzężenie zwrotne będzie najsilniejsze dla częstotliwości ok. 1 [kHz], co powinno objawić się spadkiem wzmocnienia układu z zamkniętą pętlą w rejonie tych częstotliwości w porównaniu ze wzmocnieniem samego bloku H, co potwierdzają charakterystyki amplitudowe obu układów. Wzrost wzmocnienia bloku H wzmacniacza powoduje wzrost wzmocnienia całego układu. Jednocześnie wzrost wzmocnienia bloku β powoduje zmniejszenie wzmocnienia całego obwodu.

Pomiary przyrostów ΔT oraz ΔH umożliwiły nam wyznaczenie wrażliwość transmitancji T na zmiany H. Wyniosła ona 3,76 i różniła się od wartości teoretycznej o 0,21. Natomiast wrażliwość transmitancji T na zmiany β (w oparciu o zmianę przyrostu Δβ) osiągnęła wartość 2,58, różniącą się od szacowań teoretycznych o 0,01.

Ostatni punkt ćwiczenia poświęcony był obserwacji niestabilnej pracy układu. Po wprowadzeniu układu w stan pracy niestabilnej zaobserwowaliśmy efekt generowania drgań sinusoidalnych o częstotliwości f = 989 [Hz]. Wpływ wzmocnienia na częstotliwość drgań był pomijalnie mały, większe wzmocnienie bloku H nie powodowało zniekształcenia kształtu przebiegu.

Podsumowując sprzężenie zwrotne ujemne polega na doprowadzeniu sygnału z obwodu wyjściowego do obwodu wejściowego (tzw. sygnał sprzężenia zwrotnego), przy czym sygnał ten jest w fazie przeciwnej do sygnału wejściowego. Ujemne sprzężenie zwrotne stosowane we wzmacniaczach poprawia następujące parametry tych układów elektronicznych: zmniejsza zniekształcenia nieliniowe, poprawia przebieg charakterystyki częstotliwościowej w zakresie wzmacnianych częstotliwości, tj. zwiększa szerokość pasma przenoszenia i jednocześnie „wygładza” kształt charakterystyki przenoszenia. Sprzężenie zwrotne ujemne powoduje zwiększenie górnej częstotliwości granicznej tyle razy, ile razy zmniejsza się wzmocnienie w zakresie małych częstotliwości. Układ z omawianym sprzężeniem zmniejsza przydźwięk sieci zasilającej, poziom szumów własnych oraz innych zakłóceń, zwiększa również stabilność pracy poprzez ustalenie punktu pracy elementów aktywnych oraz zmniejsza wpływ zmian parametrów wzmacniacza na moduł jego wzmocnienia. Stabilizację wzmocnienia za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego uzyskuje się kosztem redukcji wzmocnienia wzmacniacza. Skuteczność stabilizacji jest tym większa, im większy jest nadmiar wzmocnienia w układzie bez sprzężenia.

Ujemne sprzężenie zwrotne polepsza liniowość układów (zmniejsza zniekształcenia liniowe) oraz obniża wpływ zmian elementów aktywnych na parametry układu (zmniejsza wrażliwość) kosztem redukcji wzmocnienia. Stosuje się je również w celu stabilizacji punktu pracy tranzystorów. Dodatnie sprzężenie zwrotne jest stosowane przede wszystkim w generatorach przebiegów harmonicznych i impulsowych oraz w ograniczonym zakresie w układach wzmacniaczy, głównie w celu uzyskania dużej impedancji wejściowej.

Laboratorium Teorii Obwodów Krzysztof Krzemiński

- 1 -

---