Elektrinių signalų stiprinimas

1. Stiprintuvų parametrai ir charakteristikos

Stiprintuvu vadinamas įtaisas, padidinantis elektrinio signalo ga­lią, bet nepakeičiantis jo formos. Signalo galia padidinama naudojant maitinimo šaltinio energiją - į stiprintuvą galima žiūrėti kaip į elektroninį reguliatorių, kurio įėjimo signalas valdo į apkrovą einantį maitinimo šaltinio energijos srautą (1.1 pav.).

1.1. Tranzistorių jungimo schemos

Puslaidininkiniuose stiprintuvuose dažniausiai naudojami tik dviejų rūšių aktyvieji elementai: dvipoliai ir vienpoliai (lauko) tranzistoriai. Yra keletas tranzistoriaus sujungimo būdų su kitais schemos elementais. Prie signalo šaltinio galima prijungti dvipolio tranzistoriaus bazę ar emiterį arba lauko tranzistoriaus užtūrą ar ištaką. Prie išėjimo jungiamas kolektorius ar emiteris (arba santaka ar ištaka). Vienas tranzistoriaus elektrodas turi būti bendras įėjimo ir išėjimo grandinėms. Iš viso gali būti trys tranzistoriaus sujungimo su kitais elementais schemos (1.4 pav.):

1. Bendrojo emiterio (BE) ar bendrosios ištakos (BI)
2. Bendrosios bazės (BB) ar bendrosios užtūros (BU)
3. Bendrojo kolektoriaus ar bendrosios santakos (BS).

Dvipolio PNP jungimo schemos tokios pat, tik sukeičiami vietomis maitinimo šaltinio poliai.

1.4 pav. Dvipolio NPN tranzistoriaus jungimo schemos

Bendrojo emiterio schemoje valdymo srovė yra bazės srovė I_B = I_E – I_K, čia I_E ir I_K – emiterio ir kolektoriaus srovės. Bazės srovė yra daug mažesnė už kolektoriaus srovę. Schemoje stiprinama ir srovė, ir įtampa. Srovės stiprinimo koeficientas β_BE =ΔI_K/ΔI_B, jis faktiškai būna nuo 20 iki 500. Galios stiprinimas didelis (iki 10 000), todėl ši schema, lyginant su kitomis, yra labiau paplitusi. BE schemoje įėjimo signalo (srovės I_B) pokytis valdo srovę I_K ir keičia kolektoriaus varžos R įtampos kritimą. Didėjanti I_B didina I_K, didina įtampos kritimą varžos R ir mažina kolektoriaus įtampą U_KE (išėjimo įtampą): BE schema keičia signalo fazę 180º.  

1.2. Varžiniai nuolatinės įtampos stiprintuvai

Stiprintuvo veikimo principas tiesiogiai susijęs su tranzistoriaus sandara ir jo savybėmis: keičiantis jo emiterio sandūros įtampai, valdoma tranzistoriaus kolektoriaus srovė. Šios srovės pokyčiai į kolektoriaus grandinę įtrauktoje apkrovoje (transformatoriaus, rezistoriaus, virpamojo kontūro) keičiami išėjimo įtampos signalu. Paprasčiausią elementariąją varžinio stiprintuvo pakopą sudaro vienas tranzistorius VT (aktyvusis komponentas) ir keli rezistoriai (1.5 pav.).

Stiprintuvo komponentai, sujungti su signalo šaltiniu U_S, vadinami įėjimo grandine, o sujungti su apkrova R_AP (kita pakopa ar galiniu įrenginiu), vadinami išėjimo grandine. Naudojamas vienas energijos šaltinis E. Stiprintuvas gali stiprinti nuolatinę ir nedidelio dažnio kintamąją įtampą, nes jo ryšys su signalo šaltiniu ir apkrova yra galvaninis (tiesioginis). Tranzistoriaus srovė atsiras tiekiant teigiamą įtampą į jo bazę. Tai galima padaryti sujungus tranzistoriaus bazę (tašką A) su poliumi +E per varžą R1. Taip į tranzistoriaus emiterio PN sandūrą tiekiama teigiama įtampa, vadinama priešįtampiu. Nuo R1 dydžio priklauso tranzistoriaus bazės srovės dydis ir jo atsidarymo lygis.

1.5 pav. Elementariojo varžinio stiprintuvo laipsnio BE schema

Toks priešįtampio formavimas tik viena varža R1 nėra geras. Kintant temperatūrai, bazės srovė ir priešįtampis taip pat kinta. Pakeitus tranzistorių (jo parametrai bus kitokie), varžą R1 reikia derinti. Naudojant įtampos daliklį R1R2, taško A priešįtampis būna daug stabilesnis. Varža R2 beveik visada yra daug mažesnė už varžą R1, nes priešįtampio dydis dažniausiai nėra didesnis kaip 0,6÷0,8 V silicio ir 0,2÷0,3 V germanio tranzistoriams. Naudojant įtampos daliklį R1R2, bazės srovė nekinta, kai nėra įėjimo signalo, bet stiprintuvo įėjimo varža sumažėja. Priešįtampis U_BE atidaro emiterinę tranzistoriaus sandūrą, todėl net nedidelis įėjimo įtampos pokytis gerokai pakeičia bazės srovę I_B. Nedideliu bazės srovės pokyčiu galima gerokai pakeisti (valdyti) kolektoriaus srovę ir įtampos kritimą varžoje R_K. Dėl to gerokai keičiasi išėjimo įtampa. Tai ir yra signalo stiprinimas. Jis dar priklauso nuo varžos R_K dydžio. Kuo didesnė kolektoriaus srovė ir varža R_K, tuo didesnis įtampos kritimas U_RK ir didesnis stiprinimas, tačiau jei R_K labai didelė, stiprinimas gali sumažėti ir atsirasti signalo iškraipymų. Stiprinimo metu signalo fazė keičiasi 180º: pvz., didėjant įėjimo įtampai U_S, didėja I_K, didėja U_RK ir mažėja U_IŠ, nes U_IŠ = E – U_RK.

1.3. Stiprintuvai su lauko tranzistoriais

Šių stiprintuvų įėjimo varža labai didelė, todėl jie naudojami kaip pirminiai stiprinimo laipsniai matavimo prietaisuose ir kituose įrenginiuose silpniems signalams stiprinti. Kai naudojami tranzistoriai su PN sandūromis, labiausiai paplito pagal bendrosios ištakos (BE) schemą sudaryti stiprintuvai (8.10 pav.). Schema su nuliniu užtūros priešįtampiu (1.6 pav., a) naudojama impulsiniams signalams stiprinti, arba kai vietoje santakos varžos R_S naudojamas virpamasis LC kontūras. Į įėjimą siunčiant sinusinį (harmoninį) signalą, neigiamąjį pusperiodį schema stiprins daugiau, o teigiamąjį mažiau. Toks signalas bus iškraipytas. Padidinti priešįtampį galima į ištakos grandinę įjungus varžą R_I (1.6 pav., b). Tranzistoriaus srovė jame sukels priešingo poliarumo įtampos kritimą, santakos srovė sumažės ir harmoninio signalo iškraipymai bus maži. Didelės talpos kondensatorius C_I visiškai sumažina neigiamąjį grįžtamąjį ryšį, kuris susidaro, kai varžoje R_I teka kintamoji signalo srovė. 

1.6 pav. Stiprintuvai su lauko tranzistoriais

Šiose schemose naudojami lauko tranzistoriai su PN sandūra ir P kanalu. Naudojant tranzistorius su N kanalu, schema liks ta pati, tik pasikeis maitinimo šaltinio poliškumas.

1.4. Tranzistoriaus darbo taško nustatymas

Norint tranzistorių naudoti kaip stiprintuvą, būtina tinkamai nustatyti tranzistoriaus priešįtampį. Nuolatinės srovės (DC) priešįtampio nustatymo paskirtis – parinkti pastovų tranzistoriaus srovės ir įtampos lygį, vadinamą DC darbo tašku arba rimties (Q – angl. „quiescent“) tašku. DC darbo taškas turi būti parinktas taip, kad signalo pokyčiai įėjime būtų stiprinami ir tiksliai atkuriami išėjime gnybte. Tranzistoriaus priešįtampio nustatymas iš esmės yra konkrečių srovės ir įtampos sąlygų parinkimas. Taigi konkrečiame DC darbo taške, pavyzdžiui, I_C ir V_CE, būdingos nurodytos vertės. 1.7 pav. matomos tinkamo ir netinkamo priešįtampio sukuriamos sąlygos. Esant netinkamam priešįtampiui, išėjimo signalas iškraipomas, nes esant tam tikram įėjimo signalui tranzistorius gali imti veikti atkirtos arba soties režimu: jeigu įėjimo signalas per didelis Q taško atžvilgiu, tranzistorius dalį įėjimo ciklo veikia atkirtos ir (arba) soties režimu.

1.7 pav. Soties ir atkirtos grafinė iliustracija

1.8 pav. pavaizduoto tranzistoriaus priešįtampis, siekiant gauti konkrečias I_B, I_C, I_E ir V_CE vertes, išreiškiamas kintamaisiais V_CC ir V_BB. Kolektoriaus charakteringosios kreivės paaiškina, kas nutinka I_C ir V_CE esant įvairioms I_B vertėms. Kai I_B didėja, I_C didėja, o V_CE mažėja. Taigi didinant arba mažinant V_BB, tranzistoriaus DC darbo taškas juda išilgai visus Q taškus jungiančios nuolydžios tiesios linijos, vadinamos DC apkrovos kreive. Čia DC apkrovos kreivė susikerta su V_CE ašimi 10 V taške, kur V_CE = V_CC. Tai tranzistoriaus atkirtos taškas, nes I_B ir I_C idealiu atveju lygios nuliui. DC apkrovos kreivė idealiu atveju I_C ašį kerta 50 mA taške. Tai tranzistoriaus soties taškas, nes idealiu atveju I_C maksimali taške, kuriame V_CE = 0, o I_C = V_CC/RC.

2. Stiprintuvo parametrai

Stiprintuvo ekvivalentinės schemos parametrai apibūdina pagrindines stiprintuvo savybes. Du iš šių parametrų yra stiprintuvo varžos.

Įėjimo varža r_in apibūdina apkrovą, kurią stiprintuvas sudaro signalo šaltiniui. įėjimo varža rin apibūdina apkrovą, kurią stiprintuvas sudaro signalo šaltiniui. Prijungus šaltinį (2 pav.), kurio vidinė įtampa es, stiprintuvą tiesiogiai veikianti įėjimo įtampa u_in priklauso nuo stiprintuvo įėjimo varžos ir signalo šaltinio išėjimo varžos r_s santykio

,

kai  - įėjimo įtampos daliklio koeficientas.

Stiprintuvo išėjimo įtampa e_ex nėra stiprintuvo parametras, nes ji priklauso nuo stiprintuvo įėjimo įtampos ir stiprintuvo įtampos stiprinimo koeficiento.

Atsižvelgiant į tai, kas (e_s ar u_in) laikoma įėjimo signalo parametru ir kas (e_ex ar u_ex) laikoma išėjimo signalo parametru, galimi įvairūs įtampos stiprinimo koeficiento išreiškimo būdai:

K_u = u_ex/u_in , K'_u = e_x/U_in , K''_u = e_ex/e_s , K'''_u = u_ex/e_s

Perdavimo koeficientai ir faktoriai. 6 pav. pavaizduotoje ekvivalentinėje stiprintuvo schemoje panaudoti du ekvivalentiniai įtampos šaltiniai: signalo ir išėjimo. Taip pateikto stiprintuvo stiprinimo savybės apibūdinamos įtampos stiprinimo perdavimo koeficientu K_u = u_ex/u_in . Jei įtampos šaltinius (4 pav.) pakeisime jiems ekvivalentiniais srovės šaltiniais, gausime 7 pav. parodytą to paties stiprintuvo ekvivalentinę schemą.

Šioje schemoje:

Čia i_s ir i – signalo šaltinio ir stiprintuvo ekvivalentinių šaltinių srovės, i_in ir i_ex – stiprintuvo įėjimo ir išėjimo srovės, ξ_i ir ζ_i, – įėjimo ir išėjimo srovių daliklių koeficientai:

Šiuo atveju stiprintuvo stiprinimo savybes patogiau apibūdinti srovės stiprinimo koeficientu K_t = i_ex/i_in .

Galimi mišrūs atvejai. Stiprintuvų signalo šaltinį atvaizdavus ekvivalentiniu įtampos šaltiniu, o stiprintuvo išėjimą – srovės šaltiniu, tokio stiprintuvo stiprinimo savybes apibudintu perdavimo faktorius K_s = i_ex/u_in , turinčiu laidumo dimensiją ir vadinamu stiprintuvo perdavimo laidumu.

Jei signalo šaltinį pavaizduoti srovės šaltiniu, o stiprintuvo išėjimą – įtampos šaltiniu, stiprintuvo stiprinimo savybes apibūdintu perdavimo faktorius K_R = u_ex/i_in , turinčiu varžos dimensiją ir vadinamu stiprintuvo perdavimo varža.

Stiprintuvo stiprinimo savybėms apibūdinti galima naudoti galios stiprinimo koeficientą K_p = P_ex/P_in, kai P_jn = u_ini_in, o P_ex = u_exi_ex

Kadangi u_in = i_inr_in , o u_ex = i_exR_a , visus minėtus koeficientus galima apskaičiuoti naudojantis bet kuria viena ekvivalentine stiprintuvo schema, arba išreikšti juos vieną per kitą.

Automatikoje ir ryšių technikoje plačiai taikomi logaritminiai stiprinimo koeficiento įvertinimo vienetai, išreiškiami decibelais [dB], Galios stiprinimo koeficientas decibelais:

K_P|_DB = 10lg(P_ex/P_in)  = 10lgK_P.

Galia proporcinga įtampos ar srovės kvadratui, įtampos ir srovės stiprinimo koeficientai decibelais:

3. Stiprintuvų charakteristikos

Signalo perdavimo iš stiprintuvo įėjimo į išėjimą ypatumams bei galimiems jo iškraipymams apibūdinti naudojamos amplitudinės ir dažninės stiprintuvo charakteristikos.

3.1. Perdavimo charakteristika.

Dažniausiai naudojama stiprintuvo amplitudinė charakteristika yra jo perdavimo charakteristika

nusakanti ryšį tarp jo įėjimo parametro x_in ir išėjimo parametro y_ex. Būdingiausias stiprintuvo perdavimo charakteristikos pavidalas parodytas 3.1 pav.

3.1 pav. Stiprintuvo perdavimo charakteristika

Stiprintuvo perdavimo charakteristika apibūdina leistinas stiprintuvo signalų kitimo ribas (amplitudę) bei jos stiprinimą. Stiprintuvo perdavimo koeficientas K=y_ex/x_in nusakomas perdavimo charakteristikos nuolydžio kampu Θ = arctgK . Stiprintuvo perdavimo koeficientas yra pastovus ir nepriklauso nuo perduodamo signalo amplitudės tik tada, kai stiprintuvo perdavimo charakteristika tiesinė. Iš tikrųjų perdavimo charakteristiką galima laikyti tiesine tik signalo kitimo diapazone apibrėžtame maksimaliomis leistinomis teigiamomis ir neigiamomis signalo vertėmis.

3.2. Dažninės charakteristikos

Dėl stiprintuvo aktyviųjų elementų, visų pirma tranzistorių, savybių priklausymo nuo dažnio, taip pat dėl stiprintuvo grandinėse esančių reaktyviųjų elementų įtakos stiprintuvo savybės priklauso nuo dažnio. Stiprintuvo dažnines savybes bendriausia forma apibūdina jo kompleksinė dažninė charakteristika:

Šios charakteristikos modulis yra stiprintuvo amplitudės dažninė charakteristika K(ω), o jos realiosios ir menamosios dalių santykio arktangentas - fazės dažninė charakteristika φ(ω):

Pagal amplitudės dažninės charakteristikos pavidalą (3.2 pav.) stiprintuvai skirstomi į plačiajuosčius kintamojo signalo, nuolatinio signalo ir selektyviuosius stiprintuvus.

3.2 pav. Stiprintuvo amplitudės К (ω) ir fazės φ(ω) dažninės charakteris­tikos: a — plačiajuosčio stiprintuvo, b — nuolatinio signalo stiprintuvo, c — selektyviojo stiprintuvo

Plačiajuosčio stiprintuvo dažninė charakteristika (3.2 pav., a) yra pati bendriausia, turinti beveik visus dažninės charakteristikos elementus ir ją apibūdinančius parametrus. Pagrindiniai parametrai, apibūdinantys stiprintuvo dažninę charakteristiką, yra ribinis žemasis ω_ž ir ribinis aukštasis ω_a dažniai. Plačiajuosčio stiprintuvo amplitudės dažninėje charakteristikoje yra išreikšta vidutinių dažnių sritis (ω_ž < ω < ω_a), kurioje stiprinimo koeficientas mažai priklauso nuo dažnio ir yra beveik pastovus. Tolstant nuo šios srities dažnio didėjimo ar mažėjimo linkme, stiprinimo koeficientas mažėja. Tai stiprintuvo žemųjų dažnių (ω_ž < ω) ir aukštųjų dažnių (ω < ω_a) sritys. Ribiniu žemuoju ω_ž ir ribiniu aukštuoju ω_a dažniais paprastai laikomi daž­niai, kuriems esant stiprintuvo stiprinimo koeficientas sumažėja 3dB, arba  karto, palyginti su stiprinimo koeficientu vidutinių dažnių srityje. Atstumas dažnių ašyje tarp ribinių dažnių vadinamas stiprintuvo dažnių juostos pločiu.

Plačiajuosčio stiprintuvo fazės dažninė charakteristika vidutinių dažnių srityje yra lygi nuliui, žemųjų dažnių srityje ji tampa teigiama, o aukštųjų dažnių srityje - neigiama.

Nuolatinio signalo stiprintuvai (NSS) yra skirti žemo ir labai žemo dažnio arba nuolatinę dedamąją turintiems signalams stiprinti. Todėl jų stiprinimo koeficientas (3.2 pav., b) žemųjų dažnių srityje nemažėja. Šie stiprintuvai stiprina visus, pradedant nuo nulinio dažnio, signalus.

Selektyvieji (rezonansiniai) stiprintuvai yra skirti tik tam tikram dažniui ω₀, vadinamam rezonansiniu dažniu, artimiems signalams stiprinti. Dažniausiai tai būna moduliuoti harmoniniai signalai. Rezo­nansinio stiprintuvo dažninė charakteristika (3.2 pav., c) apibūdinama rezonansiniu dažniu ω₀ ir dažnių juostos pločiu Δω. Selektyviojo stiprintuvo stiprinimas vertinamas kokybės koeficientu Q = ω₀ / Δω. Jis siekia keletą tūkstančių.

Selektyvieji stiprintuvai dažniausiai taikomi ryšiuose, nes leidžia stiprinti vieną iš tuo pačiu kabeliu vienu metu skirtingais dažniais perduodamų keleto, kartais ir kelių tūkstančių signalų. Rezonansiniais stiprintuvais taip pat išskiriama reikiama radijo ar televizijos stotis radijo imtuvuose arba televizijos imtuvuose.

3.3. Stiprintuvo iškraipymai

Kai signalo spektras išeina už stiprintuvo dažnio juostos ribų arba kai signalo amplitudė išeina už stiprintuvo perdavimo charakteristikos tiesinės dalies ribų, stiprintuvas signalus iškraipo. Pirmuoju atveju iškraipymai vadinami tiesiniais arba dažniniais, o antruoju – netiesiniais.

Tiesinių iškraipymų stiprintuve atsiranda dėl to, kad skirtingos įėjimo signalo harmoninės dedamosios (spektro dedamosios) yra nevienodai stiprinamos (amplitudiniai iškraipymai) bei nevienodai vėlinamos (faziniai iškraipymai). Tiesinius iškraipymus iliustruojančių pavyzdžių pateikta 3.3 pav. Čia įėjimo signalą u_in sudaro dvi harmoninės dedamosios. Stiprintuvas dirba aukštųjų dažnių srityje, todėl aukštesniojo dažnio dedamoji mažiau stiprinama ir daugiau vėlinama.

Tiesiniams (dažniniams) iškraipymams būdinga:

tiesinių iškraipymų didumas priklauso tik nuo signalo ir stiprintuvo dažnių juostų santykio ir nepriklauso nuo signalo amplitudės;

harmoninio (sinusinio) signalo forma tiesiškai neiškraipoma - neatsiranda naujų spektro dedamųjų. Stiprintuve, kuriame pasireiškia tik tiesiniai iškraipymai, gali pakisti sinusinio signalo amplitudė ar fazė, bet jis išliks sinusinis;

tiesiniai iškraipymai signale nesukuria naujų, prieš tai nebuvusių harmoninių dedamųjų.

3.3 pav. Tiesiniai iškraipymai stiprintuvuose: a - pirminis, neiškraipytas signalas, b - įvertinti tik amplitudiniai iškraipymai, c - įvertinti ir amplitudiniai, ir faziniai iškraipymai (brūkšnine linija parodytos harmoninės dedamosios, stora - jų suma, t. y. signalas)

Netiesiniai iškraipymai. Šiuos iškraipymus sąlygoja stiprintuvo perdavimo charakteristikos netiesiškumas. Dažniausiai pasitaikantis atvejis - kai dėl per didelės įėjimo signalo amplitudės stiprintuvas pradeda veikti užlinkusioje perdavimo charakteristikos dalyje ir signalas ribojamas. Toks atvejis pavaizduotas 3.4 pav., kuris gautas įėjimo signalą grafiškai „projektuojant“ į stiprintuvo perdavimo charakteristiką.

3.4 pav. Netiesiniai iškraipymai stiprintuvuose

Netiesiniams iškraipymams būdinga tai, kad:

jų dydis priklauso tik nuo signalo amplitudės ir nepriklauso nuo signalo dažnio ar spektro;

harmoninio (sinusinio) signalo forma dėl netiesinių iškraipymų pakinta. Jame atsiranda aukštesniųjų harmonikų, pradinio signalo dažnio kartotinių.

Stiprintuvuose iškraipymai gali pasireikšti arba pavieniui - tiesiniai ar netiesiniai, arba abu kartu. Kol iškraipymai nėra dideli, juos galima ištaisyti įvedant amplitudės dažninę (tiesiniams iškraipymams) arba perdavimo (netiesiniams) charakteristikas koreguojančias grandis.

4. Stiprintuvų grįžtamieji ryšiai

Grįžtamojo ryšio sąvoka ir tipai. Elektroninio stiprintuvo grįžtamuoju ryšiu vadinamas toks ryšys tarp jo grandinių, kai signalas iš stiprintuvo išėjimo perduodamas atgal į jo įėjimą. Apibendrinta struktūrinė stiprintuvo su grįžtamuoju ryšiu schema parodyta 4.1 pav.

Schemą sudaro stiprintuvas, kurio stiprinimo koeficientas K, ir grįžtamojo ryšio grandinė, kurios perdavimo koeficientas - grįžtamojo ryšio koeficientas y. Stiprintuvo grįžtamojo ryšio grandinės paprastai būna pasyvios, todėl jo grįžtamojo ryšio koeficientas retai būna didesnis už vienetą (y < l).

4.1 pav. Stiprintuvo su grįžtamuoju ryšiu struktūrinė schema

Stiprintuvo išėjimo signalas F tada priklauso ne tik nuo tiesiogiai stiprintuvo įėjime veikiančio signalo X', bet ir nuo stiprintuvo stiprinimo koeficiento K: Y = KX'. Sis signalas yra perduodamas apkrovai, o per grįžtamojo ryšio grandinę grįžtamojo ryšio signalo yY pavidalu - ir į stiprintuvo įėjimą. Čia jis sumuojamas su išoriniu įėjimo signalu X ir sudaro stiprintuvo įėjimo signalą X' = X + yY.

Stiprintuvo su grįžtamuoju ryšiu savybės priklauso nuo įėjimo X ir grįžtamojo ryšio y Y signalų fazių skirtumo. Jei šių signalų fazės sutampa, grįžtamasis ryšys vadinamas teigiamuoju, o kai priešingos, t. y. skiriasi 180°, - neigiamuoju. Tarpiniu atveju, kai įėjimo ir grįžtamojo ryšio signalų fazių skirtumas yra tarp 0° ir 180°, grįžtamasis ryšys laikomas kompleksiniu.

4.1. Teigiamasis grįžtamasis ryšys (TGR)

Esant teigiamajam grįžtamajam ryšiui, kaip jau buvo minėta, įėjimo signalo ir grįžtamojo ryšio signalo fazės sutampa, todėl šie signalai stiprintuvo įėjime sudedami. Grįžtamojo ryšio koeficientui artėjant prie vieneto, stiprinimo koeficientas ima neapibrėžtai augti ir stiprintuvas tampa nestabilus, linkęs susižadinti, t. y. pats generuoti tam tikros formos ir dažnio signalus, arba savaime įsisotinti ir jo išėjimo signalo vertė tampa u_ex -U_exmax . Ši TGR savybė panaudojama sudarant periodinių signalų generatorius arba atminties elementus. Stiprintuvuose teigiamasis grįžtamasis ryšys naudojamas retai, dažnai net nepageidautinas, nors kartais jis susidaro savaime dėl parazitinio ryšio tarp atskirų stiprintuvo grandinių.

4.2. Neigiamasis grįžtamasis ryšys (NGR)

Esant NGR, įėjimo signalo X ir grįžtamojo ryšio signalo yY fazės yra priešingos, todėl stiprintuvo įėjime šie signalai sumažėja. Laikoma, kad neigiamojo grįžtamojo ryšio koeficientas y yra neigiamas.

Kai NGR yra stiprus, stiprintuvo su NGR stiprinimo koeficientas nebepriklauso nuo stiprintuvo savybių ir yra sąlygojamas tik grįžtamojo ryšio grandinės savybių. Jei šiuo atveju į stiprintuvo įėjimą grąžinamas visas išėjimo signalas (grįžtamojo ryšio koeficientas yra lygus vienetui), tai stiprintuvo su NGR stiprinimo koeficientas taip pat tampa lygus vienetui (K_NG = l) ir toks stiprintuvas tampa kartotuvu.

4.3. Neigiamojo grįžtamojo ryšio įtaka stiprintuvo savybėms

NGR turi įtakos daugeliui stiprintuvo savybių: stiprinimo koeficientas, nors jo modulis ir sumažėja, tampa pastovesnis, mažiau įtakos turi įvairūs parazitiniai signalai ir triukšmai, sumažėja netiesinių iškraipymų, taip pat pagerėja stiprintuvo dažninės savybės.

NGR įtaka netiesiniams iškraipymams. Stiprintuvo perdavimo charakteristika yra netiesiška dėl stiprinimo koeficiento kitimo kintant įėjimo signalui. 4.2 pav., a pavaizduota perdavimo charakteristika užlinksta dėl to, kad, didėjant įėjimo signalui, mažėja stiprintuvo stiprinimo koeficientas.

4.2 pav. Stiprintuvo be grįžtamojo ryšio (a) ir to paties stiprintuvo su neigiamuoju grįžtamuoju ryšiu (b) perdavimo charakteristikos

Neigiamojo grįžtamojo ryšio įtaka dažninėms stiprintuvo savybėms. Stiprintuvo be grįžtamojo ryšio ir to paties stiprintuvo su neigiamuoju grįžtamuoju ryšiu dažninės charakteristikos pateiktos 4.3 pav.

Dėl to, kad NGR mažina stiprinimo koeficientą, stiprintuvo su NGR dažninė charakteristika vidutinių dažnų srityje yra žemesnė už stiprintuvo be grįžtamojo ryšio charakteristikas. Žemųjų ir aukštųjų dažnių srityse, tolstant nuo vidutinių dažnių srities, stiprintuvo be grįžtamojo ryšio stiprinimo koeficientas K ima mažėti.

4.4 pav. Stiprintuvo be grįžtamojo ryšio (a) ir su NGR (b) dažninės charakteristikos

Neigiamojo grįžtamojo ryšio įtaka stiprintuvo stabilumui. Detaliau nagrinėjant NGR įtaką stiprintuvo dažninėms savybėms, tenka įvertinti ir stiprintuvo fazės poslinkį - fazinę charakteristiką φ(ω). Pavyzdžiui, aukštųjų dažnių srityje stiprintuve atsiranda neigiamas fazės poslinkis (3.2 pav.). Dėl to ima mažėti fazių skirtumas tarp įėjimo signalo ir grįžtamojo ryšio signalo, kuris vidutinių dažnių srityje sudarytam NGR buvo lygus π arba 180°. Neigiamasis grįžtamasis ryšys tampa kompleksinis. Kol papildomas fazės poslinkis φ išlieka intervale (0<φ<90°), grįžtamasis ryšys išlieka kompleksinis neigiamas, mažinantis stiprinimo koeficientą. Tačiau, kai φ > 90°, grįžtamasis ryšys tampa kompleksinis teigiamas ir stiprinimo koeficientas ima didėti, o jei φ pasiekia 180°, grįžtamasis ryšys jau tampa teigiamas ir stiprintuvas darosi nestabilus - ima generuoti.

4.4. Grįžtamųjų ryšių atmainos

Grįžtamųjų ryšių įtaka stiprintuvo savybėms dar priklauso ir nuo to, kaip grįžtamojo ryšio grandinė prijungta prie stiprintuvo įėjimo ir išėjimo.

Grįžtamojo ryšio grandinė prie stiprintuvo įėjimo gali būti prijungta nuosekliai arba lygiagrečiai. Grandines jungiant nuosekliai (4.5 pav., a ir b) stiprintuvo įėjime sumuojamos įėjimo ir grįžtamojo ryšio signalų įtampos u_in ir u_y , o grįžtamasis ryšys vadinamas nuosekliuoju. Grandines jungiant lygiagrečiai (4.5 pav., c ir d), stiprintuvo įėjime sumuojamos įėjimo ir grįžtamojo ryšio srovės i_in ir i_γ , o grįžtamasis ryšys vadinamas lygiagrečiuoju.

Stiprintuvo išėjimo signalo parametras gali būti įtampa u_ex arba srovė i_ex. Todėl grįžtamieji ryšiai išėjimo signalo atžvilgiu gali būti įtampos (grįžtamojo ryšio grandinės įėjimo gnybtai prijungti lygiagrečiai su stiprintuvo išėjimu -4.5 pav., a ir c) arba srovės (prijungti nuosekliai - 4.5 pav., b ir d).

Taigi, atsižvelgiant į tai, kaip grįžtamojo ryšio grandinė prijungta prie stiprintuvo įėjimo bei išėjimo, grįžtamasis ryšys gali būti: nuoseklusis įtampos, nuoseklusis srovės, lygiagretusis įtampos ir lygiagretusis srovės.

Atskirais atvejais galimi ir mišrūs grįžtamojo ryšio grandinės jungimo būdai. Grįžtamojo ryšio atmaina lemia jo įtaką stiprintuvo įėjimo bei išėjimo varžai pobūdį.

Įtaka įėjimo varžai. Kai NGR grandinė prie stiprintuvo įėjimo prijungiama nuosekliai (4.5 pav., a ir b), grįžtamojo ryšio įtampos kryptis yra priešinga išorinio signalo krypčiai, todėl įėjimo grandine teka silpnesnė srovė. Be to, įėjimo gnybtų atžvilgiu stiprintuvo įėjimo varža yra nuosekliai sujungta su grįžtamojo ryšio grandinės išėjimo varža, todėl atstojamoji šio nuoseklaus varžų junginio varža visuomet bus didesnė už bet kurią vieną iš jų. Todėl nuoseklusis NGR stiprintuvo įėjimo varžą didina.

4.5 pav. Grįžtamųjų ryšių tipai: a - nuoseklusis įtampos, b - nuoseklusis srovės, c - lygiagretusis įtampos ir d - lygiagretusis srovės (rodyklėmis pažymėta signalo sklidimo kryptis)

Grįžtamojo ryšio grandinės prijungimo prie stiprintuvo išėjimo būdas įėjimo varžai įtakos neturi, tačiau daro įtaką stiprintuvo išėjimo varžai.

Įtaka išėjimo varžai. Veikiant įtampos NGR, išėjimo varža sumažėja, nes šiuo atveju stiprintuvo išėjimo ir grįžtamojo ryšio grandinės įėjimo varžos yra sujungtos lygiagrečiai.

Veikiant srovės NGR, išėjimo varža padidėja, nes stiprintuvo išėjimo ir grįžtamojo ryšio grandinės įėjimo varžos šiuo atveju yra sujungtos nuosekliai.

Jei neigiamasis grįžtamasis ryšys pakankamai stiprus, stiprintuvo įėjimo bei išėjimo varžos gali tapti labai didelės (r →∞) arba labai mažos (r → 0) nepriklausomai nuo šio stiprintuvo be grįžtamojo ryšio varžos vertės, todėl, naudojant NGR, galima sudaryti norimas stiprintuvo atmainas.

4.5. Grįžtamųjų ryšių ir stiprintuvų atmainos

NGR įtaką stiprintuvo įėjimo bei išėjimo varžoms:

nuoseklusis įtampos grįžtamasis ryšys įėjimo varžą didina, o išėjimo - mažina;

nuoseklusis srovės grįžtamasis ryšys didina ir įėjimo, ir išėjimo varžas;

lygiagretusis įtampos grįžtamasis ryšys mažina ir įėjimo, ir išėjimo varžas;

lygiagretusis srovės grįžtamasis ryšys įėjimo varžą mažina, o išėjimo - didina.

Be to, kiekviena konkreti NGR atmaina stabilizuoja tik tą stiprinimo koeficientą kuris būdingas tokiai stiprintuvo atmainai, prie kurios NGR artina stiprintuvą.