12.3. Типы соединения звеньев в усилителях

Различают три типа соединений звеньев в усилителях: последовательное (каскадное), параллельное и соединение типа «обратная связь».

1. Последовательное соединение звеньевприменяется при необходимости обеспечения заданного коэффициента передачи и заданных входных и выходных параметров усилителя.

Пусть, например, требуется построить усилитель, входное сопротивление которого много больше сопротивления источника сигнала , выходное сопротивление много меньше сопротивления нагрузки, а коэффициент усиления по напряжению должен быть много больше единицы. Обеспечитьипроще всего использованием эмиттерного повторителя (схемы с общим коллектором на биполярном транзисторе) или истокового повторителя (схемы с общим стоком на униполярном транзисторе). Однако у обеих названных схем, в связи с чем для реализации усилителя с указанными параметрами потребуется как минимум три звена соединенных последовательно (рис. 12.13).

Рис. 12.13

В этой схеме эмиттерный повторитель ЭП1, обеспечивая, выполняет функцию согласования входа усилителя с выходом источника входного сигнала. Эмиттерный повторительЭП2, обеспечивая, выполняет функцию согласования выхода усилителя с нагрузкой. Усилитель напряжения (УН) с коэффициентом усилениядолжен обеспечить заданный коэффициент усиления. Для его построения могут быть использованы схемы с общим эмиттером, общей базой, общим истоком или несколько таких последовательно соединенных каскадов, если один каскад не обеспечивает требуемого коэффициента усиления.

Такое соединение звеньев называется каскадным, а полученный усилитель – многокаскадным.

Рассмотрим параметры многокаскадного усилителя напряжения.

Если усилитель состоит из каскадов, а каждый-тый каскад имеет коэффициент усиления по напряжению, то общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления каскадов.

Если каждый из каскадов имеет коэффициент усиления, зависящий от частоты, то есть, тогда при

,

где или в логарифмическом масштабе (в дБ)

;.

Из сказанного ранее следует, что:

- ЛАЧХ многокаскадного усилителя может быть получена путем суммирования ЛАЧХ каскадов;

- ФЧХ многокаскадного усилителя получается путем суммирования ФЧХ каскадов;

- входное и выходное сопротивление усилителя определяются типом используемого входного и выходного каскадов усилителя.

Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, который по определению представляет собой отношение коэффициента усиления на средней частоте , где отсутствуют изменения коэффициента усиления, к коэффициенту усиления на рассматриваемой частоте. Приможно записать. Обобщая на любое, коэффициент частотных искажений усилителя на частотеможно представить в виде произведенияили в логарифмическом выражении. Таким образом, для достижения заданного коэффициента частотных искажений усилителя в целом к отдельным его каскадам должны предъявляться более жесткие требования по величине коэффициента частотных искажений.

Если для упрощения положить, что все каскадов усилителя имеют одинаковые АЧХ, то можно записатьи. Далее можно доказать, что нижняя граница полосы пропусканиятакого многокаскадного усилителя увеличивается, а верхняя граница полосы пропускания- уменьшается. Из сказанного можно сделать вывод о сужении полосы пропускания многокаскадного усилителя по отношению к полосе пропускания отдельных каскадов. При необходимости сохранения требуемой полосы пропускания следует улучшать суммарную АЧХ многокаскадного усилителя путем введения специальных корректирующих звеньев.

Поскольку ФЧХ многокаскадного усилителя представляет собой сумму ФЧХ отдельных каскадов, можно утверждать, что фазовые искажения многокаскадного усилителя возрастают по отношению к фазовым искажениям отдельного каскада. Для их уменьшения необходимо улучшать суммарную ФЧХ многокаскадного усилителя путем введения специальных корректирующих звеньев.

Переходные искажения обусловлены теми же причинами, что и искажения АЧХ и ФЧХ, то есть существованием в схеме частотно – зависимых элементов. Так как в многокаскадном усилителе увеличиваются частотные и фазовые искажения, то и при передаче прямоугольных импульсов будет увеличиваться длительность фронта выходного сигнала , величина выбросаи величина спада крыши.

Нелинейные искажения, вносимые многокаскадным усилителем, оцениваются общей величиной коэффициента гармоник, которая зависит от нелинейных искажений, вносимых отдельными каскадами, и определяется по формуле .

Таким образом, использование последовательного соединения звеньев (построение многокаскадных усилителей) позволяет добиться существенного увеличения коэффициента передачи. При этом возрастают частотные, фазовые, переходные и нелинейные искажения, сужается полоса пропускания и динамический диапазон. Для устранения указанных недостатков приходится прибегать к использованию специальных корректирующих звеньев. В целом в многокаскадном усилителе увеличивается число активных и пассивных элементов, что ведет к увеличению мощности, потребляемой от источника питания и снижению коэффициента полезного действия.

2. Параллельное соединение звеньевиспользуется при необходимости одновременной обработки информации, для чего входной сигнал подается сразу на входы всех звеньев схемы (рис. 12.14).
	Рис. 12.14

Такое соединение звеньев используется, например, в анализаторах спектра, эквалайзерах, аналоговых мультиплексорах и других подобных устройствах. К этому типу соединения усилительных элементов можно отнести оконечные двухтактные каскады усилителей. Кроме того, параллельное соединение звеньев иногда применяется для повышения надежности, когда второй канал играет роль резервного.

3. Явление передачи усиленных колебаний из выходной цепи усилителя во входную цепь называется обратной связью.

На рис. 12.15 дана упрощенная структурная схема усилителя с обратной связью, где стрелками показано направление передачи энергии.
	Рис. 12.15

Цепь, по которой осуществляется передача энергии с выхода на вход, называется цепью обратной связи. Она обычно выполняется в виде: а) линейного пассивного четырехполюсника, характеризуемого коэффициентом передачи , служащего для придания усилителю требуемых свойств; б) активного четырехполюсника, в результате чего создаются новые классы схем (стабилизаторы компенсационного типа, мультивибраторы).

Обратная связь может появиться в усилителе по трем причинам:

1) из-за физических свойств и устройства усилительных элементов (внутренняя обратная связь);

2) вследствие паразитных емкостных, индуктивных и других связей, создающих пути для обратной передачи сигнала (паразитная обратная связь);

3) из-за введения в схему специальных цепей (внешняя обратная связь).

Все виды обратной связи могут сильно изменять свойства усилителя. Как внутренними, так и паразитными связями нельзя управлять, и они нередко изменяют свойства усилителя в нежелательном направлении. Внешняя обратная связь управляема, и ее вводят для улучшения свойств усилителя: повышения стабильности коэффициента усиления, снижения искажений всех видов, уменьшения собственных помех и т.д.

Замкнутый контур, образуемый цепью обратной связи и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называется петлей обратной связи. Если в усилителе имеется только одна петля обратной связи, связь называют однопетлевой (рис. 12.16а), если петель несколько, обратную связь называют многопетлевой (рис. 12.16б, в). Связь, охватывающая один каскад усилителя, называют местной обратной связью (рис. 12.16в).

а	б	в
Рис. 12.16

Если колебания от источника входного сигнала складываются с сигналом обратной связи таким образом, что амплитуда колебаний на входе (и соответственно на выходе) усилителя увеличивается, то такая обратная связь называется положительной.

Если колебания от источника входного сигнала и сигнал обратной связи поступают на вход усилителя в противофазе, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний на входе и выходе усилителя, то такая обратная связь называется отрицательной. Отрицательная обратная связь изменяет все параметры усилителя и служит для придания ему необходимых свойств.

Если отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе не зависит от частоты (цепь обратной связи не содержит индуктивностей и емкостей), обратная связь называется частотно-независимой; если указанное отношение напряжений зависит от частоты, то обратная связь называется частотно-зависимой.

В зависимости от способа подачи сигнала обратной связи на вход усилителя различают последовательную и параллельную обратную связь.

Если источник входного сигнала соединен последовательно с входом усилителя и выходом цепи обратной связи, то такая обратная связь называется последовательной. В этом случае сигнал обратной связи подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом(рис. 12.17).

Рис. 12.17	Рис. 12.18

Если цепь обратной связи включается параллельно источнику входного сигнала, то такая обратная связь называется параллельной (рис. 12.18). При параллельной обратной связи на входе усилителя происходит алгебраическое сложение токов, а не напряжений, как в случае последовательной обратной связи. Для этого необходимо, чтобы .

По способу подключения цепи обратной связи к выходу усилителя различают обратную связь по напряжению и обратную связь по току.

При обратной связи по напряжению выход усилителя, нагрузка и цепь обратной связи соединены параллельно друг другу (рис. 12.19). В этом случае сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению усилителя.

Рис. 12.19	Рис. 12.20

Если выход усилителя, нагрузка и цепь обратной связи соединены последовательно (рис. 12.20), то имеет место обратная связь по току, при которой сигнал обратной связи пропорционален току через нагрузку.

Из рис. 12.19 и рис. 12.20 видно, что в режиме короткого замыкания нагрузки обратная связь по напряжению исчезает, а по току – сохраняется. В режиме холостого хода () обратная связь по напряжению сохраняется, а по току исчезает.

Таким образом, в схемах усилителей возможны четыре вида отрицательных или положительных обратных связей:

- последовательная по напряжению;

- последовательная по току;

- параллельная по напряжению;

- параллельная по току.