Многокаскадные усилители

При усилении слабых сигналов одного каскада усиления может оказаться мало для получения заданного усиления но напряжению, току или мощности. В этом случае применяют многокаскадный усилитель. Каскады могут быть однотипными или разнотипными.

Входное сопротивление усилителя определяется первым каскадом, а выходное — последним. Общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов. Связь между каскадами может быть непосредственной, конденсаторной (RC-связью) или трансформаторной. Непосредственная связь используется главным образом в интегральных усилителях, а трансформаторная - в усилителях мощности и радиочастотных усилителях. Усилители с конденсаторной связью применяются наиболее часто, т.к. они просты, имеют малые габариты и массу. При построении многокаскадных усилителей необходимо обеспечить согласование каскадов без существенной потери усиления. В этом смысле каскад ОБ имеющий малое входное и большое выходное сопротивления, наименее пригоден. Каскад ОК, имеющий большое входное и малое выходное сопротивления, хорошо согласовывает каскады усиления, но сам обладает плохим усилением и поэтому может использоваться на выходе усилителя.

В качестве усилительных каскадов чаще всего используется схема ОЭ, занимающая по входному и выходному сопротивлениям промежуточное положение, но обладающая высоким усилением по напряжению и мощности.

На рис. 2.27 показана типовая схема двухкаскадного усилителя с RC-связью. Каждый каскад содержит цепи эмиттерной стабилизации. Нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада. Расчеты каскадов проводят обычным порядком в направлении от выходного к первому. Иногда для уменьшения возможности самовозбуждения за счет паразитных положительных обратных связей первый каскад усилителя подключается к источнику питания через фильтрующую RC-цепочку.

Особенности усиления низких частот заключаются в уменьшении проводимости межкаскадных разделительных конденсаторов и эмиттерных конденсаторов в каскадах. Поэтому по мере уменьшения частоты усиление снижается. Для предотвращения падения усиления необходимо увеличивать емкость разделительных и эмиттерных конденсаторов, но это увеличение возможно лишь до известных разумных пределов. Конденсаторы очень большой емкости велики по размерам и обладают нестабильными параметрами.

Со снижением частоты появляются нелинейные частотные искажения за счет того, что отдельные гармоники сигнала усиливаются слабее. Коэффициент частотных искажении, обусловленных каждым конденсатором, можно вычислить, зная постоянную времени конденсатора t_c:

Например, для C_э1, ; для C_э1, .

Для усилителей низкой частоты допустимый коэффициент частотных искажении принимают равным . Поэтому необходимо использовать такие конденсаторы, чтобы выдерживалось условие .

С понижением частоты появляются не только частотные, но и фазовые искажения, вносимые конденсаторами:

Каждый конденсатор вносит фазовое искажение, зависящее от его постоянной времени:

На высоких частотах начинают проявляться снижение коэффициента усиления по току самого транзистора b и шунтирующее влияние емкости коллекторного перехода С_к. Для ослабления этих явлений необходимо использовать транзисторы с соответствующими частотными свойствами. Невозможно построить усилитель высокой частоты на низкочастотном транзисторе.

Усилители с RC-связью достаточно широко представлены в интегральном исполнении; серии микросхем К224, К123, К175, K237 и другие. Например, усилители серии К123 обеспечивают усиление по напряжению от 30 до 500 раз в диапазоне частот от 200 Гц до 100 кГц.

Многокаскадные усилители с трансформаторной связью содержат согласующие трансформаторы. Первичная обмотка трансформатора включается цепь выходного тока предыдущего каскада, а вторичная — на вход следующего каскада (в усилителях напряжений) или на нагрузку (в выходных усилителях (рис. 2.28)). Трансформатор представляет нулевое сопротивление для постоянного тока и большое сопротивление для переменной составляющей тока. Достоинства трансформаторной связи следующие:

1. За счет коэффициента трансформации можно поднять K_U (если трансформатор повышающий) или K_I; (если понижающий) всего усилителя.

2. Все напряжение подводится к коллектору транзистора (без R_к), поэтому можно уменьшить напряжение питания.

3. Хорошее согласование каскадов — лучше передается полезная мощность.

На рис. 2.29 показана принципиальная схема двухкаскадного усилителя мощности на биполярных транзисторах по схеме ОЭ с трансформаторной связью между каскадами. Если число витков обмоток согласующего трансформатора одинаково W₁ = W₂, то нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада: R_н = R_вх2. В общем виде W₁ ¹ W₂ и трансформатор преобразует R_вх2 в величину приведенного к первичной обмотке активного сопротивления:

Величину коэффициента трансформации выбирают из условия согласования сопротивления каскадов:

Сопротивление нагрузки по переменному току для первого каскада имеет активный характер, пока индуктивное сопротивление первичной обмотки велико, т.е. соблюдается условие wL₁ = R_н¢.

Частотные искажения в трансформаторном усилителе обусловлены не только переходными и эмиттерными конденсаторами, но и трансформатором. В области нижних частот индуктивное сопротивление первичной обмотки L₁ падает и шунтирует заметным образом эквивалентную нагрузку каскада R_н¢, снижая коэффициент усиления.

Увеличение индуктивности трансформатора связано с ростом его габаритов и массы.

В области верхних частот растут индуктивность рассеяния трансформатора и тем самым снижается напряжение полезного сигнала, подводимого к R_н¢, что также снижает усиление.

В усилителях с трансформаторной связью при большом сопротивлении нагрузки каскада может возникнуть резонанс напряжений, обусловленный индуктивностью рассеяния и емкостью С_р2. Это вызывает подъем частотной характеристики усилителя в области высоких частот (рис. 2.30).

Первый каскад усилителя можно рассматривать как обычный усилитель по схеме ОЭ, вместо коллекторного сопротивления R_к у которого включено эквивалентное сопротивление . Нагрузочная линия по постоянному току у усилителей с трансформаторной связью проходит почти вертикально; незначительный ее наклон обусловлен палением напряжения на активном сопротивлении обмотки трансформатора. Поэтому всегда, даже в режиме малого сигнала, строят линию нагрузки по переменному току, называемую динамической характеристикой переменного тока ДХПТ в отличие от линии нагрузки по постоянному току ЛНПТ. ДХПТ должна быть внутри области, ограниченной максимально допустимыми значениями коллекторного тока I_к, напряжения U_к и рассеиваемой мощности Р_кдля максимально возможной рабочей температуры.

ДХПТ строится по двум точкам с координатами на оси абсцисс ≤ 2Е_ки на оси ординат ≤ 2Е_к/R_н¢. Точка покоя находится на пресечении ДХПТ и ЛНПТ (рис. 2.31). На практике ток покоя берется из соображения не превысить предельно допустимой мощности:

Ток покоя обеспечивается разовыми резисторами R_б¢, R_б¢¢. Диапазон входных сигналов берется таким, чтобы рабочая точка на ДХПТ не выходила за пределы линейных участков вольтамперных характеристик. Максимально возможный размах (двойная амплитуда) выходного тока в трансформаторном усилителе может достигать величины 2 × I_кл.

Основным недостатком трансформаторной связи является малая технологичность усилителей, определяемая сложностью изготовления трансформаторов, а также большие габариты и масса трансформатора при необходимости работы усилителя на низких частотах.