12(2) Многокаскадные усилители

Усилительные каскады, рассмотренные в предыдущих раз­делах, имеют ограниченный коэффициент усиления, зависящий от параметров транзисторов и других компонентов схемы. Эти одиночные каскады, как правило, не в состоянии обес­печить требуемый коэффициент усиления. Поэтому строят многокаскадные усилители, представляющие последовательное соединение одиночных усилительных каскадов. В настоящее время промышленность освоила выпуск интегральных много­каскадных усилителей различного назначения. Они являются готовыми функциональными узлами с известными парамет­рами. Комбинируя и соединяя их между собой соответствующим образом, реализуют многокаскадные усилители, име­ющие требуемые параметры и характеристики преобразования.

Можно выделить следующие типы связи между микросхе­мами и отдельными усилительными каскадами: гальваническую (непосредственную); емкостную (с помощью R С-цепочек); трансформаторную; с помощью частотно-зависимых цепей; оптронную.

Для сравнительно низкочастотных усилителей чаще всего используют первый и второй тип связи. Третий применяют реже из-за больших габаритов трансформаторов, невозмож­ности их микроминиатюризации, высокой стоимости, слож­ности изготовления, повышенных нелинейных искажений. Од­нако трансформаторная связь успешно может быть исполь­зована при необходимости получить максимальное усиление по мощности. Четвертый тип используют при создании избирательных усилителей, а пятый применяется сравнительно редко, только в специальных случаях, когда при низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.

При проектировании многокаскадных усилителей, к кото­рым не предъявляются специальные требования, обычно необ­ходимо знать выходную мощность усилителя Р_н, выходное напряжение U_н, сопротивление нагрузки R_н, допустимый ко­эффициент гармоник К_г, рабочий диапазон частот (f_н и f_в), нормированный коэффициент усиления на низшей и высшей частотах, входное напряжение U_вх, внутреннее сопротивление источника питания R_и.

При создании различных преобразовательных устройств на основе многокаскадных усилителей надо знать также значения входного и выходного сопротивлений, максимально допустимый фазовый сдвиг выходного сигнала в рабочем диапазоне частот, допустимую нестабильность коэффициента усиления и т. д.

Проектирование многокаскадного усилителя рекомендуется начинать с выбора его структурной схемы и выбора микросхем, входящих в нее, с учетом требований, предъявляемых к усили­телю. При этом решают вопрос о том, обеспечивают ли выбранные микросхемы получение требуемых параметров у усилителя или нужны дополнительные входные и выходные устройства.

Если готовый интегральный усилитель может быть исполь­зован для реализации усилителя с требуемыми параметрами, то его надо вводить в состав структуры усилителя, а специфичес­кие требования удовлетворять за счет введения ОС соответству­ющего вида. Иногда приходится дополнительно вводить мощ­ный выходной каскад, а также входной каскад с высоким или очень малым входным сопротивлением. И только если из-за требований, предъявляемых к характеристикам преобразования, усилитель нельзя выполнить из набора готовых интегральных микросхем, его проектируют на дискретных компонентах.

Порядок разработки принципиальной схемы во многом зависит от требований, предъявляемых к усилительному устрой­ству. Если задано определенное значение входного сопротив­ления, то в первую очередь следует определить, каким путем оно будет получено, и исходя из этого, проектировать входное устройство и остальную часть усилителя. Если заданы выход­ная мощность и выходное сопротивление усилителя, то проек­тирование следует начинать с выходного каскада, а затем переходить к проектированию остальной части. Если определен­ные требования предъявляют как к входной, так и к выходной частям усилителя, то сначала решаются вопросы реализации входного и выходного каскадов, а потом проектируют часть усилителя, связывающую их.

Исходя из допустимой нестабильности коэффициента усиле­ния и получения требуемых параметров сразу же должен быть решен вопрос о виде ОС и ее глубине. Так как с введением ОС коэффициент усиления уменьшается, то это должно быть учтено при выборе количества интегральных микросхем. При этом приходится (априори или на основе статистических данных и рекомендаций) задаваться возможным изменением коэффициента усиления усилителя без ОС.

определять петлевое усиление Кγ.

Если считать параметры цепи ОС стабильными, то Кγ →0 и ориентировочная глубина обратной связи определяется из уравнения

Если коэффициент усиления усилителя без цепей ОС может изменяться примерно на 50% (dК/К0,5) и при этом требуется, чтобы при введении цепи ОС коэффициент усиления усилителя не изменялся более чем на 0,5% (dK_oc/K_oc = 0,005), то при dγ→0 необходимое петлевое усиление Ку = 99.

При заданном значении К_ос и найденной глубине обратной связи определяют коэффициент усиления усилителя с разомкнутой цепью ОС:

Решив вопрос о структуре усилителя, количестве микросхем, используемых в нем, виде и глубине ОС, составляют ориен­тировочную принципиальную схему. При этом следят, чтобы входное сопротивление последующей микросхемы было больше или равно минимально допустимому сопротивлению нагрузки предыдущей. Сопротивление нагрузки в том или ином виде задают в технических условиях на микросхему.

Кроме того, при непосредственной связи между микросхе­мами необходимо согласовывать уровни выходного сигнала предыдущей микросхемы с допустимым входным сигналом последующей. При этом следует предусматривать цепи, обес­печивающие защиту входных цепей микросхемы от возможных аварийных изменений входного сигнала.

В качестве таких цепей часто используют два включенных параллельно и встречно диода. Сопротивление их велико до тех пор, пока входное напряжение не превышает контактную разность потенциалов у р-n-перехода 0,2—0,4 В. До этого уровня они не влияют на входной сигнал. При дальнейшем увеличении входного напряжения диоды открываются и огра­ничивают сигнал на входе микросхемы значениями 0,2—0,4 В, что, как правило, допустимо для всех микросхем. Цепи защиты являются обязательными для тех микросхем, у которых допустимое выходное напряжение меньше максимального вы­ходного напряжения предыдущей микросхемы.

Частотные искажения, вносимые каждой интегральной схе­мой в диапазоне высоких частот, известны из паспортных данных или могут быть определены экспериментально. Резуль­тирующее нормированное усиление G_B или коэффициент ча­стотных искажений М_в усилителя находят как произведение соответствующих коэффициентов отдельных микросхем:

где G_Вn — нормированное усиление n-й микросхемы; М_вn — ко­эффициент частотный искажений n-й микросхемы.

Если в состав усилителя входят только усилительные каскады на дискретных компонентах, то их допустимые частотные искажения (G_Вn или М_вn) находят делением общего заданного коэффициента частотных искажений (или нормированного усиле­ния) на соответствующие искажения, вносимые микросхемами:

При этом обычно считают, что все каскады на дискретных компонентах вносят одинаковые частотные искажения. Гранич­ная частота транзисторов

где т — количество каскадов на дискретных компонентах; f_в — верхняя рабочая частота усилителя.

Частотные искажения в диапазоне низких частот, как правило, обусловлены влиянием цепей связи между микро­схемами. Если в структуре усилителя имеется трансформатор, то считают, что основные искажения вносятся им:

где М_нк = (М_н1 М_н2...М_нп) -искажения, вносимые остальными цепями связи. Тогда

Коэффициент частотных искажений, вносимых цепями связи микросхем, исключая трансформаторную,

В зависимости от особенностей усилителя частотные ис­кажения между цепями связи распределяют равномерно или неравномерно. При равномерном распределении частотные искажения каждой цепи связи определяют из выражения

Аналогично рассмотренному ранее частотные искажения можно выразить через нормированный коэффициент усиления.

Нелинейные искажения, заданные на проектируемую часть усилителя, обычно не распределяют между микросхемами, а все значение коэффициента гармоник отводят на последнюю микросхему или выходной каскад. Это обусловлено тем, что наибольшие нелинейные искажения возникают при больших уровнях усиливаемого сигнала, когда начинают сказываться нелинейности характеристик транзисторов. В микросхемах, работающих с малыми выходными сигналами, нелинейные искажения в первом приближении можно не учитывать.

Определив число микросхем, их тип, составив принципи­альную схему и распределив искажения между цепями связи микросхем, переходят к электрическому расчету параметров цепей связи между микросхемами и цепей, обеспечивающих требуемую глубину ОС. При наличии дискретных усилительных каскадов проводят полный расчет последних.

Параметры RС-цепи связи. При выборе параметров цепей связи микросхем необходимо учитывать как выходное со­противление предыдущей микросхемы, так и входное со­противление последующей. Так, если микросхемы соединены между собой с помощью RС-цепи (рис. 5.1), то коэффициент передачи

где R_эк = R || R_вх, R_вх и R_вых— входное и выходное сопротивления микросхем.

В диапазоне рабочих частот для устранения частотной зависимости коэффициента передачи от параметров цепи связи необходимо, чтобы выполнялось неравенство

Тогда коэффициент передачи цепи междукаскадной связи в рабочей полосе частот

Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте, заданный для данной цепи связи,

Преобразовав его, получим

Рис. 5.1. Схема соединения двух микросхем с помощью RС-цепи

Один из элементов цепи связи (чаще всего R) задают исходя из требований, не связанных с частотными искажениями, на­пример обеспечения требуемого входного сопротивления или до­пустимого падения напряжения, вызванного входным током мик­росхемы, и т. д. Другой элемент

определяют с помощью уравнения (5.14).

По окончании расчетов всех элементов определяют резуль­тирующие параметры и характеристики усилителя, после чего собирают его макет, проводят настройку и испытание. В случае несложных усилителей с малым количеством микросхем, где получение положительного результата очевидно, этапы маке­тирования и настройки обычно отсутствуют. В этом большое преимущество конструкций, созданных на основе микросхем с заранее известными параметрами перед усилителями, выпол­ненными на дискретных компонентах.