Паразитные колебания — нежелательные электронные колебания (циклические изменения выходного напряжения или тока) в электронном или цифровом устройстве. Часто они вызваны обратной связью в усилительном устройстве. Проблема особенно часто встречается в радиочастотных , [1] аудио и других электронных усилителях [2], а также в цифровой обработке сигналов . [3] Это один из фундаментальных вопросов, рассматриваемых теорией управления . [4] [5] [6]
Паразитные колебания нежелательны по нескольким причинам. Колебания могут быть связаны с другими цепями или излучаться в виде радиоволн , вызывая электромагнитные помехи (ЭМП) для других устройств. В аудиосистемах паразитные колебания иногда можно услышать как раздражающие звуки в динамиках или наушниках. Колебания тратят энергию и могут вызывать нежелательный нагрев. Например, усилитель мощности звука, который переходит в паразитные колебания, может генерировать достаточно мощности, чтобы повредить подключенные динамики . Колеблющаяся цепь не будет усиливаться линейно, поэтому желаемые сигналы, проходящие через каскад, будут искажены. В цифровых схемах паразитные колебания могут возникать только на определенных логических переходах и могут приводить к неустойчивой работе последующих каскадов; например, каскад счетчика может видеть много ложных импульсов и вести неустойчивый подсчет.
Паразитные колебания в каскаде усилителя возникают, когда часть выходной энергии соединяется со входом с правильной фазой и амплитудой для обеспечения положительной обратной связи на некоторой частоте. Связь может происходить непосредственно между входной и выходной проводкой с паразитной емкостью или взаимной индуктивностью между входом и выходом. В некоторых твердотельных или вакуумных электронных устройствах имеется достаточная внутренняя емкость для обеспечения пути обратной связи. Поскольку земля является общей для входа и выхода, выходной ток, протекающий через импеданс заземляющего соединения, также может соединять сигналы обратно на вход.
Аналогично, импеданс в источнике питания может связывать вход с выходом и вызывать колебания. Когда общий источник питания используется для нескольких каскадов усиления, напряжение питания может меняться в зависимости от изменения тока в выходном каскаде. Изменения напряжения питания будут проявляться во входном каскаде как положительная обратная связь. Примером может служить транзисторный радиоприемник , который хорошо работает со свежей батареей, но визжит или « моторит », когда батарея старая.
В аудиосистемах, если микрофон расположен близко к громкоговорителю, могут возникнуть паразитные колебания. Это вызвано положительной обратной связью, от выхода усилителя к громкоговорителю к звуковым волнам, и обратно через микрофон к входу усилителя. См. Аудиообратная связь .
Теория управления с обратной связью была разработана для решения проблемы паразитных колебаний в системах сервоуправления – системы колебались, а не выполняли свою предполагаемую функцию, например, управление скоростью в двигателях. Критерий устойчивости Баркгаузена дает необходимое условие для колебаний; коэффициент усиления контура обратной связи, который равен коэффициенту усиления усилителя , умноженному на передаточную функцию непреднамеренного пути обратной связи, должен быть равен единице, а фазовый сдвиг вокруг контура должен быть равен нулю или кратен 360° (2π радиан ).
На практике обратная связь может возникать в диапазоне частот (например, в рабочем диапазоне усилителя); на разных частотах фаза усилителя может быть разной. Если есть одна частота, где обратная связь положительна, а также выполняется условие амплитуды – система будет колебаться на этой частоте.
Эти условия можно выразить математически с помощью диаграммы Найквиста . Другой метод, используемый в теории контуров управления, использует диаграммы Боде усиления и фазы в зависимости от частоты. Используя диаграммы Боде, инженер-конструктор проверяет, существует ли частота, на которой выполняются оба условия для колебаний: фаза равна нулю ( положительная обратная связь ), а коэффициент усиления контура равен 1 или больше.
При возникновении паразитных колебаний конструктор может использовать различные инструменты проектирования контура управления, чтобы исправить ситуацию — уменьшить усиление или изменить фазу на проблемных частотах.
Для предотвращения паразитных колебаний используются несколько мер. Схемы усилителя располагаются таким образом, чтобы входная и выходная проводка не были соседними, что предотвращает емкостную или индуктивную связь. На чувствительные части схемы может быть помещен металлический экран. На соединениях источника питания могут быть установлены байпасные конденсаторы , чтобы обеспечить низкоомный путь для сигналов переменного тока и предотвратить межкаскадную связь через источник питания. При использовании печатных плат каскады высокой и низкой мощности разделены, а обратные заземляющие дорожки расположены так, чтобы большие токи не протекали по совместно используемым частям заземляющей дорожки. В некоторых случаях проблема может быть решена только путем введения другой сети нейтрализации обратной связи , рассчитанной и настроенной для устранения отрицательной обратной связи в полосе пропускания усилительного устройства. Классическим примером является схема Neutrodyne, используемая в настроенных радиочастотных приемниках .