Принцип построения усилительных каскадов

Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала и обычно называемых каскадами. Число каскадов в таких многокаскадных усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления K_I, К_U, К_P. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады - для получения требуемых тока или мощности сигнала в нагрузке.

Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием. Они могут отличаться числом и режимом работы используемых транзисторов при усилении переменного сигнала. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же. Принцип построения и работы различных каскадов удобно показать на примере структурной схемы (рисунок 3.3, а), действительной для усилительных каскадов на одном транзисторе.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент - УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал U_вх, принятый на рисунке 3.3, а, для простоты, синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал U_вых снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Рисунок 3.3 - Принцип построения и временные диаграммы работы усилительного каскада

Для усилительных каскадов, питающихся постоянным напряжением, важно выявить сущность получения переменного выходного напряжения (или приращений напряжения обоих знаков на выходе) при переменном напряжении на входе.

Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рисунок 3.3, а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие суммарного тока и суммарного напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I_п и U_п (рисунок 3.3, б). Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих, т. е. I_п I_m и U_п U_m. Если эти условия не будут выполняться, ток i в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I_п и напряжения U_п. Задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U_вх.п (или задания соответствующего постоянного входного тока I_вх.п.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя по входной цепи I_вх.п, U_вх.п и по выходной цепи I_п, U_п характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Таким образом, усилительные свойства каскадов усиления основываются на следующем. При подаче на управляемый элемент напряжения входного сигнала в токе выходной цепи создается переменная составляющая, вследствие чего на управляемом элементе образуется аналогичная составляющая напряжения, превышающая переменную составляющую напряжения на входе. Усилительные свойства проявляются тем сильнее, чем больше сказывается влияние входного сигнала на выходной ток управляемого элемента и чем сильнее проявляется воздействие изменения тока в выходной цепи на изменение напряжения на управляемом элементе (т. е. чем выше сопротивление R).

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего функции управляемого элемента. Ниже проводится анализ усилительных каскадов для некоторых способов включения: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Каскады рассматриваются в предположении синусоидальной формы усиливаемого сигнала в области средних частот, для которых реактивное сопротивление дополнительно вводимых в схемы конденсаторов можно считать равным нулю, а влиянием паразитных емкостей схемы и транзистора, а также зависимостью коэффициента α транзистора от частоты можно пренебречь. Анализ проводится на примере каскадов на транзисторах типа р-п-р.